飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(第2章)2012

本章內(nèi)容2.1飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要載荷2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2.3復(fù)雜載荷情況2.4飛機(jī)的設(shè)計規(guī)范2/5/20231

飛機(jī)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；主要載荷分類；作用于結(jié)構(gòu)如何分析。2/5/20232

是指飛機(jī)在起飛、飛行、著陸和地面滑行等使用過程中，作用在機(jī)體各部分上的氣動力、重力和地面反力等外力總稱?！镲w機(jī)外載荷：飛機(jī)外載荷分類：飛行時外載荷起飛、著陸時的外載荷2/5/20233飛機(jī)外載荷取決于：飛行時外載荷起飛、著陸時的外載荷使用情況起落架的減振特性外形的氣動力特性結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度計算的重要依據(jù)飛機(jī)的外載荷強度規(guī)范2/5/20234飛機(jī)的升力要求作用在重力的后面，目的是為了保證飛機(jī)的穩(wěn)定性。2/5/20235空中飛行情況升力Y阻力X飛機(jī)的重力G發(fā)動機(jī)推力T空中飛行情況2/5/20236地面運動情況地面運動情況2/5/20237載荷的參照坐標(biāo)系：機(jī)體坐標(biāo)系

飛機(jī)上的坐標(biāo)系2/5/20238飛機(jī)在空中飛行時的受載情況：式中：機(jī)翼升力；尾翼升力；方向的加速度；飛機(jī)繞z軸的質(zhì)量慣性矩；飛機(jī)繞z軸的角加速度2/5/20239一、等速直線平飛時的受載情況：升力Y阻力X飛機(jī)的重力G發(fā)動機(jī)推力T等速直線平飛（牛頓第一定律）2/5/202310飛機(jī)的外載圖像演示2/5/202311二、俯沖后拉起時的受載情況：俯沖拉起2/5/202312對稱面內(nèi)作曲線機(jī)動飛行情況（縱向飛行）飛機(jī)的升力使飛機(jī)保持向心曲線運動。一、俯沖拉起:動平衡關(guān)系：（機(jī)體坐標(biāo)系y向）表現(xiàn)了運動的變速特征（曲線運動）設(shè)飛機(jī)的速度為，航跡曲率半徑為則法向速度為2/5/202313俯沖后拉起升力等于G乘上一個系數(shù)，等速平飛該系數(shù)稱為載荷系數(shù)。2/5/202314分析該曲線運動中，的特性（1）（2）（3）方成正比，這表明：若一定，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，一定，則速度受限制。

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)。與曲線航跡半徑成反比，與切線運動速度的平2/5/2023151.載荷系數(shù)的概念：除重力外，作用在飛機(jī)某方向上的所有外力的合力與當(dāng)時飛機(jī)重量的比值，稱為該方向上的載荷系數(shù)。表示e.g.平直勻速飛行：，平直勻速倒飛：

（-Y/GY與機(jī)體坐標(biāo)系相反）Note:①對重力視可不見；②千萬不能計及慣性力；③機(jī)體坐標(biāo)系為正向；④載荷系數(shù)是一矢量，分量用2/5/202316①表示了作用于飛機(jī)重心處的外力與飛機(jī)重力的比值關(guān)系；②表示了飛機(jī)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(jī)的質(zhì)量力應(yīng)當(dāng)是飛機(jī)的各部分質(zhì)量力之和：2.物理意義：2/5/202317④飛機(jī)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(jī)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(jī)展向變速平移難）；az一般較小，在大機(jī)動飛行中可能出現(xiàn)。2/5/2023183.實用意義：①作為飛機(jī)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(jī)的機(jī)動性能；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(jìn)行設(shè)計與校驗。④可通過在飛機(jī)重心處安裝加速度計來獲取。2/5/202319過載表1-彈簧，2-重塊，3-指針，4-阻尼器2/5/202320二、其他飛行姿態(tài)的載荷系數(shù)計算:1.進(jìn)入俯沖情況：視v與r的不同情況，ny可能為正，也可能為負(fù)，還有可能為零2/5/2023212.垂直俯沖情況：此時：x方向的載荷系數(shù)：發(fā)動機(jī)的推力T=0時，自由落體運動，機(jī)內(nèi)各裝載物均沒有垂直（x方向）的力作用于結(jié)構(gòu)上2/5/2023223.等速水平盤旋情況：這也是飛機(jī)機(jī)動性能的主要指標(biāo)之一等速水平盤旋2/5/202323盤旋傾斜角越大，過載系數(shù)越大在水平方向上，向心力與離心慣性力平衡2/5/2023244.垂直突風(fēng)情況：各種方向風(fēng)突中最嚴(yán)重的情況2/5/202325（1）升力：2/5/202326因為：計算載荷系數(shù)為：2/5/202327三、飛機(jī)轉(zhuǎn)動時的載荷系數(shù):（1）飛機(jī)轉(zhuǎn)動(升降)時的載荷系數(shù)：2/5/202328（1）飛機(jī)轉(zhuǎn)動時的載荷系數(shù)：

1）運動分析：

轉(zhuǎn)動+平移2)載荷分析:當(dāng)平尾產(chǎn)生機(jī)動載荷時,飛機(jī)產(chǎn)生平移與旋轉(zhuǎn)；該載荷克服了飛機(jī)原有的平飛狀態(tài),使飛機(jī)在上述兩個運動中產(chǎn)生加速度。從動平衡角度,平尾機(jī)動載荷與它克服的慣性力及力矩相平衡2/5/202329Ⅰ、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)

i表示轉(zhuǎn)動軸線上的任意位置

2/5/202330（2）裝載或設(shè)備作用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的質(zhì)量力：俯沖拉起時→裝載物變重特點不考慮繞重心的加速度時→裝載物的載荷系數(shù)與飛機(jī)重心處得載荷系數(shù)相同飛機(jī)的質(zhì)量力為飛機(jī)各部分質(zhì)量力之和，出現(xiàn)載荷系數(shù)后，總的質(zhì)量力增大為2/5/202331飛機(jī)里重力為的裝載或設(shè)備作用在結(jié)構(gòu)上的質(zhì)量力為Y方向上的質(zhì)量力為*飛機(jī)上較長的裝載物（如：發(fā)動機(jī)，油箱，導(dǎo)彈等），則不能簡單的當(dāng)做一個質(zhì)點來考慮。這樣會帶來較大的誤差。此時，其繞飛機(jī)重心的質(zhì)量慣性矩為：2/5/202332是某個長裝載物繞其自身重心轉(zhuǎn)動的質(zhì)量慣性矩。因此，在他本身的中心處將會出現(xiàn)一個集中的慣性力矩計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力時應(yīng)當(dāng)計入2/5/202333四、著陸時的載荷系數(shù):2/5/202334著陸時過載的定義與空中飛行時的區(qū)別空中飛行時：實際著陸載荷與飛機(jī)停在地面上的載荷之比：即著陸時過載不允許過大，一般原因是著陸或滑行時情況多樣：可能發(fā)生2/5/202335五、飛機(jī)設(shè)計時最大載荷系數(shù)的選取1.影響選擇最大載荷系數(shù)的因素i.

載荷系數(shù)實際反映了飛機(jī)的機(jī)動性能,因此越大越好,但對運輸機(jī)或客機(jī)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(jī)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。2/5/202336Ⅲ.載荷系數(shù)的載荷作用，不僅對結(jié)構(gòu)有作用，而且對機(jī)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(jī)的推力，載荷系數(shù)大，結(jié)構(gòu)要重，發(fā)動機(jī)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。2/5/202337

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(fù)過載。戰(zhàn)斗機(jī)的過載一般為-3--8民機(jī)則無必要。3.提高人抗過載的能力：

抗過載服，過載座艙。4.規(guī)范中的過載系數(shù)可供選擇(飛行包線上給定）。

2/5/2023382/5/202339靜載荷動載荷溫度載荷疲勞載荷復(fù)雜載荷2/5/202340

一、疲勞載荷

飛機(jī)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(jī)、運輸機(jī)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(jī)動載荷：飛機(jī)機(jī)動（變速）飛行中升力變化載荷，是軍機(jī)的主要疲勞載荷，機(jī)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； 2/5/202341地面滑行載荷：指地面滑行飛機(jī)顛簸所受到的載荷，與飛機(jī)跑道的質(zhì)量、飛機(jī)的重量等有關(guān)；發(fā)動機(jī)動力裝置的熱反復(fù)載荷；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；其他：機(jī)翼尾流對尾翼的周期性作用

tp2/5/202342

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(jī)設(shè)計中最重要的考慮因素，是定壽的基本依據(jù)。

2/5/202343單發(fā)停車、尾旋、單輪著地、打地轉(zhuǎn)、機(jī)頭碰地、飛機(jī)翻倒、強迫著陸等況。二、其他特殊情況載荷1、非正常狀態(tài)載荷:2/5/202344

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(jī)、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(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)作用的載荷。2/5/202345三、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(jī)使用壽命：民機(jī)30000――60000飛行小時軍機(jī)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(jī)使用環(huán)境種類（根據(jù)飛機(jī)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(jī)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(fù)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。2/5/2023462、溫度效應(yīng)及其載荷

來源：①

高速氣流運動（一般）在機(jī)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(jī)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)。tδ2/5/202347①

指定設(shè)計規(guī)范的意義：對飛機(jī)設(shè)計和研制給出全面要求的指令性技術(shù)文件，是飛機(jī)設(shè)計員的工作依據(jù).②政府與權(quán)威研究機(jī)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(jī)類型制定不同的設(shè)計規(guī)范，因為飛機(jī)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(jī)設(shè)計人員的基本工具。

飛機(jī)設(shè)計規(guī)范簡介：2/5/2023481.設(shè)計情況定義：飛機(jī)使用過程中，應(yīng)從各種可能出現(xiàn)的使用情況中，總結(jié)歸納出一些具有代表性的最嚴(yán)重的情況，這些最嚴(yán)重的情況稱之為設(shè)計情況。設(shè)計情況使飛機(jī)結(jié)構(gòu)易遭到破壞人員易受到損傷2/5/202349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人員將產(chǎn)生損傷的載荷情況對飛行戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能將產(chǎn)生嚴(yán)重影響的載荷情況總載不大，但載荷作用的情況特殊，影響嚴(yán)重，也作為設(shè)計情況考慮。對稱機(jī)動飛行包線的A,B,D,E情況非對稱機(jī)動中的滾轉(zhuǎn)機(jī)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。2/5/2023502.規(guī)定了飛機(jī)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(jī)（J）；強擊機(jī)（Q）；殲擊教練機(jī)（JJ）多用途機(jī)（DY）；教練機(jī)（JL）；轟炸機(jī)（H）大型運輸機(jī)（YH）

②用機(jī)動性分:

機(jī)動類（殲擊機(jī)，強擊機(jī)及相應(yīng)的教練機(jī)）ny=-3～8

半機(jī)動類（戰(zhàn)術(shù)轟炸機(jī)，多用途飛機(jī)）ny=-2～4

非機(jī)動類（戰(zhàn)略轟炸機(jī)，運輸機(jī)）ny=-1～32/5/2023513.設(shè)計重量①最小飛行重量；空機(jī)重＋5％燃油＋最少乘員②

最大設(shè)計重量；攜帶最大機(jī)內(nèi)及機(jī)外裝載③基本飛行設(shè)計重量；空機(jī)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(jī)內(nèi)及機(jī)外燃油2/5/2023524.飛行包