飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計第二章

第二章、飛機結(jié)構(gòu)的外載和典型構(gòu)造本章內(nèi)容1飛機的外載荷2介紹機翼、尾翼和機身的典型結(jié)構(gòu)

12/8/20221第一頁，共五十九頁。第二章、飛機結(jié)構(gòu)的外載和典型構(gòu)造2.1飛機的外載荷

一.飛機結(jié)構(gòu)的主要載荷

飛機作為運載工具要求反復(fù)使用，可能經(jīng)歷各樣的復(fù)雜載荷歷程。最主要、最基本的有哪些？對結(jié)構(gòu)的影響作用是什么？這是設(shè)計師們關(guān)心的基本問題；其次是不同載荷形態(tài)與主要載荷的差異以及這些載荷的變化規(guī)律（包括大氣氣象規(guī)律的統(tǒng)計）。

1.思維要點：主要載荷形式；②主要載荷分類；③作用于結(jié)構(gòu)如何分析。

12/8/20222第二頁，共五十九頁。2.1飛機的外載荷

2.載荷的參照坐標系：機體坐標系

12/8/20223第三頁，共五十九頁。2.1飛機的外載荷

3.基本載荷形態(tài)及分析

從飛行原理上可以知道：

加力飛行；勻速平直飛行；停機、滑跑狀態(tài)。

12/8/20224第四頁，共五十九頁。2.1飛機的外載荷

12/8/20225第五頁，共五十九頁。2.1飛機的外載荷12/8/20226第六頁，共五十九頁。2.1飛機的外載荷

飛機的外載：重力（G)、升力（Y)、

阻力（X）、推力（P）、起落架載荷。

慣性力：質(zhì)量乘以加速度的負值質(zhì)量力：飛機重力G（mg）和慣性力N(-ma)均與飛機質(zhì)量m有關(guān)，故統(tǒng)稱為質(zhì)量力。12/8/20227第七頁，共五十九頁。2.1飛機的外載荷達朗倍爾動靜分析（剛體動平衡）

12/8/20228第八頁，共五十九頁。2.1飛機的外載荷

飛機的外載圖像演示12/8/20229第九頁，共五十九頁。

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)1.俯沖拉起:對稱面內(nèi)作曲線機動飛行情況（縱向飛行）

飛機的升力使飛機保持向心曲線運動。12/8/202210第十頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

動平衡關(guān)系：（機體坐標系y向）

,表現(xiàn)了運動的變速特征（曲線運動）

即：

升力等于G乘上一個系數(shù)，該系數(shù)稱為載荷系數(shù)。12/8/202211第十一頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)分析該曲線運動中，的特性：①②與曲線航跡半徑成反比，與切線運動速度的平方成正比，這表明：若一定，v一定，則運動半徑就規(guī)定了；太小，則結(jié)構(gòu)承載發(fā)生問題；若一定，v一定，則速度就要限制。③由此看來，對結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個重要的無量綱載荷系數(shù)。

12/8/202212第十二頁，共五十九頁。

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)二.載荷系數(shù)的概念1.載荷系數(shù)定義：除重力外，作用在飛機某方向上的所有外力的合力與當(dāng)時飛機重量的比值，稱為該方向上的載荷系數(shù)。Note：①對重力視可不見；②千萬不能計及慣性力；③機體坐標系為正向；④載荷系數(shù)是一矢量，分量用nx、ny、nz表示。e.g.平直勻速飛行：ny=1平直勻速倒飛：ny=-1（-Y/G

Y與機體坐標系相反）

12/8/202213第十三頁，共五十九頁。

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

(2)物理意義：①表示了作用于飛機重心處的外力與飛機重力的比值關(guān)系；②表示了飛機質(zhì)量力（重力與慣性力均與質(zhì)量有關(guān)，故統(tǒng)稱為質(zhì)量力）與重力的比率。（應(yīng)注意質(zhì)量力與外力方向相反）③飛機的質(zhì)量力應(yīng)當(dāng)是飛機的各部分質(zhì)量力之和：12/8/202214第十四頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)④飛機中的某集中質(zhì)量GI=mig，作用在結(jié)構(gòu)上的質(zhì)量力為： ⑤當(dāng)飛機沿x方向有變速運動時，x向慣性力：

若俯沖拉起中的曲線運動中，切向是加速運動，則：

⑥nz=0（飛機展向變速平移難）；az一般較小，在大機動飛行中可能出現(xiàn)。

12/8/202215第十五頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

2、實用意義 ①作為飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計時重要原始載荷系數(shù)；

②n的大小實際反映了飛機的機動性能；

③結(jié)合n和已知的氣動力分布，可獲得實際作用于結(jié)構(gòu)上載荷的大小，從而進行設(shè)計與校驗。

④可通過在飛機重心處安裝加速度計來獲取。

12/8/202216第十六頁，共五十九頁。

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

三、其他飛行姿態(tài)的過載

1、進入俯沖狀態(tài)：

（可能為負，說明升力不總是正的）2、垂直俯沖狀態(tài)：

(外作用合力等于慣性力合力的負值)

12/8/202217第十七頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

3、等速水平盤旋：（非對稱機動飛行）

12/8/202218第十八頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

12/8/202219第十九頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)4、垂直突風(fēng)(在航跡運動坐標系中分析)12/8/202220第二十頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

（1）計算突風(fēng)引起的升力變化:

（2）計算載荷系數(shù)

Note:若突風(fēng)不垂直飛機時,應(yīng)怎樣處理?

12/8/202221第二十一頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

5、飛機轉(zhuǎn)動(升降)時的過載(剛體運動分析)12/8/202222第二十二頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

①運動分析:旋轉(zhuǎn)+平移②載荷分析:當(dāng)平尾產(chǎn)生機動載荷時,飛機產(chǎn)生平移與旋轉(zhuǎn)；該載荷克服了飛機原有的平飛狀態(tài),使飛機在上述兩個運動中產(chǎn)生加速度。從動平衡角度,平尾機動載荷與它克服的慣性力及力矩相平衡。

12/8/202223第二十三頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

Ⅰ.平移速度載荷系數(shù)(質(zhì)點)(外載分析法)

Ⅱ.繞中心轉(zhuǎn)動的載荷系數(shù)(質(zhì)量力分析法)Note:

①表示單位長度上的重力②集中裝載物(發(fā)動機,機載設(shè)備)③要注意裝載物較長的情況,當(dāng)作集中點誤差太大,則應(yīng)

(繞自身重心軸的質(zhì)量慣性矩)

i表示轉(zhuǎn)動軸線上的任意位置

YtmyxiNiyNiyx12/8/202224第二十四頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

6、著陸時的過載

12/8/202225第二十五頁，共五十九頁。

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

①

這里的過載定義與空中飛行情況不同。當(dāng)空中勻速飛行時,ny=1表示Y/G=1 地面滑行或停止態(tài)時,再以升力來定義已毫無意義,應(yīng)以地面的支撐載荷與重量之比來定義,即ny=1=Plg/GNote:i.

這兩種情況下的ny=1,但飛機結(jié)構(gòu)的承載方式卻完全不同,勻速平飛是一種分布載荷作用,而著陸主要是以集中力形式作用于起落架上,通過起落架作用于機身。

12/8/202226第二十六頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

ii.工程上,常稱平飛時ny=1為平飛的1g(g是以重力為單位)；停機時ny=1為停機的1g12/8/202227第二十七頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

②

著陸時載荷分析:從著陸前到完全著陸瞬間,飛機y向速度從-Vy減至零,故此時的減速度為:所以，減速度a指向機體坐標系y的正向，故此時的慣性力(作用于地面)的方向是向下的。由動平衡分析:

12/8/202228第二十八頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

③

由著陸時的載荷(地面給予的外載荷)與重量之比 的過載定義,即設(shè):

④這個過載不允許過大,一般ny=3~4(因為與飛行時對結(jié)構(gòu)與人的作用不同)

著陸或滑時的情況多樣,還可能發(fā)生nx,或nz.12/8/202229第二十九頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

7、飛機設(shè)計時最大載荷系數(shù)的選?、儆绊戇x擇最大載荷系數(shù)的因素:i.

載荷系數(shù)實際反映了飛機的機動性能,因此越大越好,但對運輸機或客機則沒有太大必要。Ⅱ.載荷系數(shù)又反映了對結(jié)構(gòu)的載荷作用,載荷系數(shù)越大,表明飛機結(jié)構(gòu)的承載越大,要有足夠的剛、強度，則結(jié)構(gòu)重量大。

12/8/202230第三十頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

Ⅲ.載荷系數(shù)的載荷作用，不僅對結(jié)構(gòu)有作用，而且對機載設(shè)備及乘員有載荷作用。載荷系數(shù)越大，對他們的作用越強，要視他們的承受能力而定。Ⅳ.

飛行時的載荷系數(shù)（除突風(fēng)干擾外），一般來自于發(fā)動機的推力，載荷系數(shù)大，結(jié)構(gòu)要重，發(fā)動機的加力性能要好，即剩余推力要大。Ⅴ.

載荷系數(shù)的選擇影響因素眾多，要依據(jù)技術(shù)性能要求綜合確定,并不是越大越好。12/8/202231第三十一頁，共五十九頁。2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

②人對過載的反映：

②說明人在短時間承受較大過載尚可，特別是正過載。較長時間承受過載能力很差，特別是負過載。戰(zhàn)斗機的過載一般為-3~8民機則無必要。③提高人抗過載的能力：抗過載服。④規(guī)范中的過載系數(shù)可供選擇(飛行包線上給定）。12/8/202232第三十二頁，共五十九頁。2.3復(fù)雜載荷情況

飛機是一種反復(fù)使用的運載工具或作戰(zhàn)武器。服役期內(nèi)會遇到各種載荷。設(shè)計中，不僅應(yīng)掌握典型設(shè)計狀態(tài)中的極限載荷及其對結(jié)構(gòu)作用的分析方法，（以作為飛機結(jié)構(gòu)極限能力的設(shè)計依據(jù)）；還應(yīng)把握這些載荷的變化規(guī)律，作用次數(shù)等統(tǒng)計規(guī)律，因為這些雖未達到極限狀態(tài)，但長期作用仍對結(jié)構(gòu)有破壞作用，這就是通常所說的疲勞載荷。

12/8/202233第三十三頁，共五十九頁。2.3復(fù)雜載荷情況

一、疲勞載荷飛機遇到載荷長期反復(fù)變化地作用，這種作用會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的“疲勞”破壞，因此這種載荷歷程一般稱為“疲勞”載荷。

類型：1.突風(fēng)載荷：大氣紊流的作用，是民機、運輸機的重要疲勞 載荷，大氣紊流的強度以及作用的次數(shù)統(tǒng)計；2.機動載荷：飛機機動（變速）飛行中升力變化載荷，是軍機的主要疲勞載荷，機動飛行的種類,飛行次數(shù)等；3.增壓載荷：氣密壓艙一個飛行起落中，壓力的變化，增壓載 荷的變化規(guī)律，作用次數(shù)等統(tǒng)計；4.著陸撞擊載荷：一個起落一次撞擊，撞擊載荷的強度；

12/8/202234第三十四頁，共五十九頁。2.3復(fù)雜載荷情況

⑤地面滑行載荷：指地面滑行飛機顛簸所受到的載荷，與飛機跑道的質(zhì)量、飛機的重量等有關(guān)；⑥發(fā)動機動力裝置的熱反復(fù)載荷；⑦地-空-地循環(huán)載荷：飛行地面滑行時的1g載荷變化到空中 飛行的1g載荷，這種均值載荷的變化也是疲勞載荷；⑧其他：機翼尾流對尾翼的周期性作用

tp12/8/202235第三十五頁，共五十九頁。2.3復(fù)雜載荷情況

作用：①設(shè)備工作的影響；②人員的不適；③結(jié)構(gòu)疲勞導(dǎo)致缺陷生長成裂紋并不斷發(fā)展，最終導(dǎo)致斷裂 ④疲勞載荷是飛機設(shè)計中最重要的考慮因素，是定壽的基本依據(jù)。二、其他特殊情況載荷1、非正常狀態(tài)載荷:單發(fā)停車、尾旋、單輪著地、打地轉(zhuǎn)、機頭碰地、飛機翻倒、強迫著陸等情況。

12/8/202236第三十六頁，共五十九頁。2.3復(fù)雜載荷情況

2、鳥撞載荷鳥撞試驗，2km以下最大飛行速度飛行時風(fēng)檔承受1.8kg鳥撞。3、冰雹載荷防冰、破冰措施，考慮承受冰雹撞擊（密度、直徑、速度等）4、噪聲：聲壓場測量

預(yù)測聲載荷大小、分布、作用時間，聲振結(jié)構(gòu)疲勞分析動力裝置噪音：螺旋槳、壓氣機、噴氣的噪音空氣動力噪音：附面層壓力波動、尾流、激波振蕩武器發(fā)射噪音：機炮、導(dǎo)彈、火箭發(fā)射5、瞬時的響應(yīng)載荷起飛助推、外掛物投放、彈射等對飛機結(jié)構(gòu)作用的載荷。12/8/202237第三十七頁，共五十九頁。2.3復(fù)雜載荷情況

三、環(huán)境譜的編制 前面的載荷譜為載荷大小隨時間的變化，即載荷—時間歷程，環(huán)境譜則為環(huán)境強度隨時間的變化，即環(huán)境—時間歷程。一架飛機使用壽命：民機30000――60000飛行小時軍機3000－8000飛行小時日歷壽命20―25年地面停放的影響主要是環(huán)境。1.環(huán)境譜的編制步驟：

①確定飛機使用環(huán)境種類（根據(jù)飛機的特定用途和使用方法）②根據(jù)戰(zhàn)、技要求或使用要求，確定飛機在不同地域服役時間 ③根據(jù)使用任務(wù)剖面（規(guī)定了任務(wù)類型、有效負載、飛行時 間和該任務(wù)的使用百分比），確定各任務(wù)段的時間比例及地面停放時間比例； ④獲取環(huán)境數(shù)據(jù)；⑤編制各類環(huán)境譜。12/8/202238第三十八頁，共五十九頁。2.3復(fù)雜載荷情況

2、溫度效應(yīng)及其載荷

來源：①高速氣流運動（一般）在機體表面的摩擦生熱，與環(huán)境溫度及飛行速度有關(guān)：

②發(fā)動機燃燒及其尾部熱氣流對結(jié)構(gòu)的作用。

作用： ①一般降低結(jié)構(gòu)材料的強、剛度； ②產(chǎn)生熱變形/熱應(yīng)力； 均勻溫度對靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱變形而無熱應(yīng)力；溫度梯度產(chǎn)生熱變形和熱應(yīng)力；均勻溫度對靜不定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱應(yīng)力。③熱的蠕變效應(yīng)。tδ12/8/202239第三十九頁，共五十九頁。2.4飛機設(shè)計規(guī)范

飛機設(shè)計規(guī)范簡介：

①指定設(shè)計規(guī)范的意義：對飛機設(shè)計和研制給出全面要求的指令性技術(shù)文件，是飛機設(shè)計員的工作依據(jù). ②政府與權(quán)威研究機構(gòu)組織制定，也可與設(shè)計主管部門共同制定。 ③設(shè)計規(guī)范不是統(tǒng)一的，而是針對不同的飛機類型制定不同的設(shè)計規(guī)范，因為飛機的任務(wù)與技戰(zhàn)術(shù)要求不同。

④設(shè)計規(guī)范與設(shè)計手冊是飛機設(shè)計人員的基本工具。12/8/202240第四十頁，共五十九頁。2.4飛機設(shè)計規(guī)范

一、規(guī)定了飛機的分類及其相應(yīng)的載荷系數(shù)（結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范）①按用途分：殲擊機（J）；強擊機（Q）；殲擊教練機（JJ）多用途機（DY）；教練機（JL）；轟炸機（H）大型運輸機（YH）②用機動性分機動類（殲擊機，強擊機及相應(yīng)的教練機）ny=-3~8半機動類（戰(zhàn)術(shù)轟炸機，多用途飛機）ny=-2~4、非機動類（戰(zhàn)略轟炸機，運輸機）ny=-1~312/8/202241第四十一頁，共五十九頁。2.4飛機設(shè)計規(guī)范

二、規(guī)定了飛行包線及設(shè)計情況

1、設(shè)計情況具有代表性的最嚴重的各種飛機載荷情況。使飛機結(jié)構(gòu)易遭到破壞、人員設(shè)備易受損傷的載荷情況都應(yīng)入選最大的正向和反向載荷情況對主要結(jié)構(gòu)件將產(chǎn)生危險損壞的載荷情況對飛行戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能將產(chǎn)生嚴重影響的載荷情況對人員將產(chǎn)生損傷的載荷情況總載不大，但載荷作用的具體情況特殊，影響嚴重，也應(yīng)作為設(shè)計情況考慮。對稱機動飛行包線的A,B,D,E情況非對稱機動中的滾轉(zhuǎn)機動、滾轉(zhuǎn)改出對稱著陸情況、偏航著陸、單個起落架著陸情況等。12/8/202242第四十二頁，共五十九頁。2.4飛機設(shè)計規(guī)范

2、設(shè)計重量①最小飛行重量；空機重＋5％燃油＋最少乘員②最大設(shè)計重量；攜帶最大機內(nèi)及機外裝載③基本飛行設(shè)計重量；空機重＋50％燃油＋基本武器重量＋乘員、滑油、氧氣重量④著陸設(shè)計重量。最大設(shè)計重量－50％機內(nèi)及機外燃油12/8/202243第四十三頁，共五十九頁。2.4飛機設(shè)計規(guī)范

3.飛行包線i.

依據(jù)飛機飛行性能、操縱性、穩(wěn)定性以及技戰(zhàn)術(shù)要求，結(jié)構(gòu) 強度要求等綜合確定的飛機飛行極限（ny—vdl圖）。ii.

典型飛行狀況的飛行包線

Ⅲ.典型飛行載荷工況： a)對稱機動飛行下的使用載荷； b)急劇俯仰機動； c)襟翼放下拉起狀態(tài)； d)滾轉(zhuǎn)與滾轉(zhuǎn)改出機動等。12/8/202244第四十四頁，共五十九頁。2.4飛機設(shè)計規(guī)范

4、安全系數(shù)：fi.安全系數(shù)是靜強度安全設(shè)計的主要解決方法。

使用載荷：飛機在使用中預(yù)計各構(gòu)件可能遇到的最大載荷

設(shè)計載荷：使用載荷乘以安全系數(shù)安全系數(shù)取法凡在規(guī)范中未作特殊說明之處，安全系數(shù)均為1.5；當(dāng)載荷的性質(zhì)、大小和分布不能準確確定時，安全系數(shù)增大到1.65、2或更大；對于主要的接頭和耳片，由于特殊重要性，在上述安全系數(shù)基礎(chǔ)上，尚應(yīng)乘以附加安全系數(shù)1.25ii.靜強度設(shè)計準則：

12/8/202245第四十五頁，共五十九頁。2.4飛機設(shè)計規(guī)范

iii.使用設(shè)計載荷的原因：a)保證結(jié)構(gòu)安全；b)反映靜不定結(jié)構(gòu)的承載能力，充分發(fā)揮靜不定結(jié)構(gòu)的承載能力，可使結(jié)構(gòu)設(shè)計得更輕；c)便于與破壞載荷的理論設(shè)計實驗驗證；d)f值選取的影響因素；e)設(shè)計要求（結(jié)構(gòu)不能有影響功能的永久變形，強度裕度）；f)材料應(yīng)力應(yīng)變特征(控制在一定應(yīng)力水平和應(yīng)變條件下）；g)工藝制造水平；h)計算、試驗誤差（粗糙、準確程度）。12/8/202246第四十六頁，共五十九頁。2.5民用飛機適航性

1適航管理條例

飛機在進行運輸及其他航空作業(yè)時，須適應(yīng)各種氣象、地形、距離、載荷、飛行高度、空中交通規(guī)則程序等項要求，才能安全、及時和經(jīng)濟地運送旅客或完成其他飛行作業(yè)。為了保證飛行安全，飛機首先要具備相應(yīng)的適航性能，為此世界各國民航當(dāng)局對飛機的設(shè)計、生產(chǎn)、使用和維修等都制定了適航標準，規(guī)定或?qū)彾òl(fā)證以及實施檢查監(jiān)督。12/8/202247第四十七頁，共五十九頁。2.5民用飛機適航性

主要內(nèi)容有：（1）

制定各類適航標準和審定監(jiān)督規(guī)則；（2）

民用航空器設(shè)計的型號合格審定（3）

民用航空器制造的生產(chǎn)許可審定（4）

民用航空器的適航檢查（5）

民用航空器的持續(xù)適航管理12/8/202248第四十八頁，共五十九頁。2.5民用飛機適航性

2適航標準

適航標準是一類特殊的技術(shù)標準。它是為保證實現(xiàn)民用航空器的適航性而制定的最低安全標準。適航標準是通過長期工作經(jīng)驗的積累，吸取了歷次飛行事故的教訓(xùn)，經(jīng)過必要的驗證或論證不斷修訂完善而形成的，它具有法規(guī)性質(zhì)和強制性要求。只有滿足適航標準所規(guī)定的這些要求后，才能被認為適合航行而被批準放飛、載客營業(yè)。如《正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航標準》（CCAR－23）《運輸類飛機適航標準》（CCAR－25）《一般類旋翼航空器適航標準》（CCAR－27）12/8/202249第四十九頁，共五十九頁。2.5民用飛機適航性

適航標準的內(nèi)容1)對飛行性能、操穩(wěn)特性；飛行載荷、地面載荷、操縱系統(tǒng)載荷、應(yīng)急著陸情況等都作了詳細規(guī)定；2)

對飛機結(jié)構(gòu)、操縱面、操縱系統(tǒng)、起落架及各種設(shè)施（載人和裝貨設(shè)施、應(yīng)急設(shè)施、通風(fēng)和加溫、增壓設(shè)施、防火設(shè)施等）的設(shè)計與構(gòu)造要求；3)

對動力裝置的燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、動力裝置的防火等提出了具體指標及要求；4)

對設(shè)備，包括儀表安裝、電氣系統(tǒng)和設(shè)備、警告裝置，安全設(shè)備的規(guī)定，并提出使用限制要求。12/8/2