喜歡飛機(jī)的朋友看過來飛機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（上）

喜歡飛機(jī)的朋友看過來，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（上）1.概述固定機(jī)翼飛機(jī)的機(jī)體由機(jī)身、機(jī)翼、安定面、飛行操縱面和起落架五個(gè)主要部件組成。直升機(jī)的機(jī)體由機(jī)身、旋翼及其相關(guān)的減速器、尾槳（單旋翼直升機(jī)才有）和起落架組成。機(jī)體各部件由多種材料組成，并通過鉚釘、螺栓、螺釘、焊接或膠接而聯(lián)接起來。飛機(jī)各部件由不同構(gòu)件構(gòu)成。飛機(jī)各構(gòu)件用來傳遞載荷或承受應(yīng)力。單個(gè)構(gòu)件可承受組合應(yīng)力。對(duì)某些結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度是主要的要求；而另一些結(jié)構(gòu)，其要求則完全不同。例如，整流罩只承受飛機(jī)飛行過程中的局部空氣動(dòng)力，而不作為主要結(jié)構(gòu)受力件。

1.2.飛機(jī)載荷飛行中，作用于飛機(jī)上的載荷主要有飛機(jī)重力，升力，阻力和發(fā)動(dòng)機(jī)推力（或拉力）。飛行狀態(tài)改變或受到不穩(wěn)定氣流的影響時(shí)，飛機(jī)的升力會(huì)發(fā)生很大變化。飛機(jī)著陸接地時(shí)，飛機(jī)除了承受上述載荷外，還要承受地面撞擊力，其中以地面撞擊力最大。飛機(jī)承受的各種載荷中，以升力和地面撞擊力對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的影響最大。1.2.1平飛中的受載情況飛機(jī)在等速直線平飛時(shí)，它所受的力有：飛機(jī)重力G、升力Y、阻力X和發(fā)動(dòng)機(jī)推力P。為了簡(jiǎn)便起見，假定這四個(gè)力都通過飛機(jī)的重心，而且推力與阻力的方向相反。則作用在飛機(jī)上的力的平衡條件為：升力等于飛機(jī)的重力，推力等于飛機(jī)的阻力。即：

飛機(jī)作不穩(wěn)定的平飛時(shí)，推力與阻力是不相等的。推力大于阻力，飛機(jī)就要加速；反之，則減速。由于在飛機(jī)加速或減速的同時(shí)，飛行員減小或增大了飛機(jī)的迎角，使升力系數(shù)減小或增大，因而升力仍然與飛機(jī)重力相等。平飛中，飛機(jī)的升力雖然總是與飛機(jī)重力相等，但是，飛行速度不同時(shí)，飛機(jī)上的局部氣動(dòng)載荷（局部空氣動(dòng)力）是不相同的。飛機(jī)以小速度平飛時(shí)，迎角較大，機(jī)翼上表面受到吸力，下表面受到壓力，這時(shí)的局部氣動(dòng)載荷并不很大；而當(dāng)飛機(jī)以大速度平飛時(shí)，迎角較小，對(duì)雙凸型翼型機(jī)翼來說，除了前緣要受到很大壓力外，上下表面都要受到很大的吸力。翼型越接近對(duì)稱形，機(jī)翼上下表面的局部氣動(dòng)載荷就越大。所以，如果機(jī)翼蒙皮剛度不足，在高速飛行時(shí)，就會(huì)被顯著地吸起或壓下，產(chǎn)生明顯的鼓脹或下陷現(xiàn)象，影響飛機(jī)的空氣動(dòng)力性能。1.2.2機(jī)在垂直平面內(nèi)作曲線飛行時(shí)的受載情況飛機(jī)在垂直平面內(nèi)作曲線飛行的受載情況如圖1-2所示。這時(shí)，作用于飛機(jī)的外力仍是飛機(jī)的重力、升力、阻力和發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。但是，這些外力是不平衡的。曲線飛行雖是一種受力不平衡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但研究飛機(jī)在曲線飛行中的受載情況時(shí)，為了方便起見，可以假設(shè)飛機(jī)上還作用著與向心力大小相等、方向相反的慣性離心力。這樣，就可以把受力不平衡的曲線飛行作為受力平衡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來研究。

飛機(jī)在垂直平面內(nèi)作曲線飛行時(shí)，升力可能大大超過飛機(jī)重量。飛機(jī)在曲線飛行中所受的載荷可能比平飛時(shí)大得多?？梢酝茖?dǎo)出如下公式：其中r為飛機(jī)機(jī)動(dòng)飛行的曲率半徑，v為飛行速度。

由于飛機(jī)在每一位置的θ角不同，而且飛行速度和曲率半徑也不可能一樣，所以，飛機(jī)在垂直平面內(nèi)做曲線飛行時(shí)，飛機(jī)的升力也是隨時(shí)變化的。1.2.3機(jī)在水平平面內(nèi)作曲線飛行時(shí)的受載情況水平轉(zhuǎn)彎時(shí),飛機(jī)具有一定的傾斜角（玻度）β，升力與垂線之間也構(gòu)成β角。這時(shí)，水平分力Ysinβ就是飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)的向心力，它與慣性離心力N平衡；升力的垂直分力Ycosβ與飛機(jī)重力G平衡，即

水平轉(zhuǎn)彎時(shí)，cosβ總是小于1，故升力總是大于飛機(jī)的重量；傾斜角越大，cosβ越小，因而升力越大。

1.2.4飛機(jī)過載在曲線飛行中，作用于飛機(jī)上的升力經(jīng)常不等于飛機(jī)的重量。為了衡量飛機(jī)在某一飛行狀態(tài)下受外載荷的嚴(yán)重程度，引出過載(或稱載荷因數(shù))這一概念。作用于飛機(jī)某方向的除重量之外的外載荷與飛機(jī)重量的比值，稱為該方向的飛機(jī)重心過載，用n表示。飛機(jī)在Y軸方向的過載，等于飛機(jī)升力（Y）與飛機(jī)重量的比值，即飛機(jī)在X軸方向的過載等于發(fā)動(dòng)機(jī)推力P與飛機(jī)阻力X之差與飛機(jī)重量的比值，即飛機(jī)在Z軸方向的過載等于飛機(jī)側(cè)向力（Z）與飛機(jī)重量的比值，即飛機(jī)在飛行中，Y軸方向的過載n(y)往往較大，它是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要指標(biāo)之一，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要取決于Y方向的過載n(y),而其它兩個(gè)方向的過載n(x),n(z)都較小，它們對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響也較小。

在不同的飛行狀態(tài)下，飛機(jī)重心過載的大小往往不一樣。過載可能大于1、小于1、等于1、等于零甚至是負(fù)值，這決定于曲線飛行時(shí)升力的大小和方向。飛機(jī)平飛時(shí)，升力等于飛機(jī)的重量，n(y)等于1；曲線飛行時(shí)，升力經(jīng)常不等于1。飛行員柔和推桿使飛機(jī)由平飛進(jìn)入下滑的過程中，升力比飛機(jī)重量稍小一些，n(y)就小于1；當(dāng)飛機(jī)平飛時(shí)遇到強(qiáng)大的垂直向下的突風(fēng)或在垂直平面內(nèi)做機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，駕駛員推桿過猛，升力就會(huì)變成負(fù)值，n(y)也就變?yōu)樨?fù)值；當(dāng)飛機(jī)以無升力迎角垂直俯沖時(shí)，載荷因數(shù)就等于零。n(y)的正、負(fù)號(hào)與升力的正、負(fù)號(hào)一致，而升力的正、負(fù)號(hào)取決于升力與飛機(jī)Y軸（立軸）的關(guān)系。如果升力的方向與Y軸相同，則取正號(hào)；反之則取負(fù)號(hào)。1.2.5飛機(jī)部件的過載在研究飛機(jī)各部件的載荷時(shí)，只知道飛機(jī)的過載是不夠的，還必須知道部件的過載。部件過載是該部件在某一飛行狀態(tài)中的質(zhì)量力與其本身重量的比值。當(dāng)飛機(jī)沒有對(duì)重心的角加速度時(shí)，部件的過載等于飛機(jī)的過載；當(dāng)飛機(jī)有對(duì)重心的角加速度時(shí)，飛機(jī)重心以外各部件的過載，等于飛機(jī)的過載加上或減去一個(gè)附加過載。1.2.6飛機(jī)著陸時(shí)的過載飛機(jī)著陸接地時(shí)的速度可分解為水平分速和垂直分速。由于水平分速是在著陸滑跑過程中逐漸消失的，因此飛機(jī)沿水平方向的受力不大；垂直分速是在飛機(jī)與地面相對(duì)撞擊后很短的時(shí)間內(nèi)消失的，故飛機(jī)沿垂直方向的撞擊力較大。飛機(jī)著陸接地時(shí)承受的載荷，主要就是作用于起落架的垂直撞擊力。飛機(jī)接地時(shí)垂直方向的過載，為作用于起落架上的垂直撞擊力與飛機(jī)重量的比值。如果飛機(jī)沒有繞重心的角加速度，則部件的過載就等于飛機(jī)重心的過載；否則，還要加上由角加速度引起的附加過載。例如：前三點(diǎn)式起落架飛機(jī)以兩個(gè)主輪接地時(shí)，作用于起落架的載荷對(duì)飛機(jī)重心的力矩，要使飛機(jī)產(chǎn)生機(jī)頭下俯的角加速度。這時(shí)，飛機(jī)重心后面的部件，其過載等于飛機(jī)重心過載加上一個(gè)附加過載；而飛機(jī)重心前面的部件，則應(yīng)減去一個(gè)附加過載。

1.3載荷、變形和應(yīng)力的概念1.3.1載荷及其分類任何結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)中的各個(gè)構(gòu)件，在工作過程中都會(huì)受到其它物體對(duì)它的作用力，這種作用力通常叫做載荷（或外部載荷）。例如，飛行中機(jī)翼上的空氣動(dòng)力，起落架等部件的重力,都是作用于機(jī)翼上的載荷。各種構(gòu)件在載荷的作用下，它的支點(diǎn)都會(huì)對(duì)它產(chǎn)生反作用力。構(gòu)件承受的各種載荷和支點(diǎn)的反作用力，統(tǒng)稱為作用于該構(gòu)件的外力。按作用方式，載荷主要分為集中載荷和分布載荷。集中載荷是指集中作用于一點(diǎn)上的載荷。分布載荷是指作用一個(gè)面積或長(zhǎng)度上的載荷。如果分布載荷的作用面積相對(duì)較小，可以把它近似看作是集中載荷，這樣在實(shí)際中可使問題簡(jiǎn)化。例如吊裝在機(jī)翼上發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)翼的載荷可認(rèn)為是集中載荷。

根據(jù)載荷作用于構(gòu)件的性質(zhì)的不同，載荷可分為靜載荷和動(dòng)載荷。如果載荷是逐漸加到構(gòu)件上去的，或者載荷加到構(gòu)件上后，它的大小和方向不變或變化很小，此載荷叫靜載荷。如飛機(jī)停放時(shí)起落架所承受的載荷，就是一種靜載荷；又如，千斤頂頂飛機(jī)時(shí)，所承受的載荷是逐漸增大的，它也屬于靜載荷。如果載荷是突然加到構(gòu)件上去的，或者載荷加到構(gòu)件上后，它的大小和方向（或其一）有顯著變化，這樣的載荷稱為動(dòng)載荷。如飛機(jī)著陸時(shí)起落架所受到的地面撞擊力；飛機(jī)著陸滑跑因?yàn)榕艿啦黄剑垢鞑糠殖惺艿牧Χ紝儆趧?dòng)載荷。1.3.2構(gòu)件在載荷作用下的變形構(gòu)件在載荷作用下，其尺寸和形狀都會(huì)有不同程度的改變，這種尺寸和形狀的改變叫做變形。構(gòu)件在載荷作用下所產(chǎn)生的變形，當(dāng)載荷去掉后即能消失的變形，叫彈性變形。不能消失的變形叫永久變形（或殘余變形）。構(gòu)件承受載荷的情況不同，它所產(chǎn)生的變形形式也不一樣，但其基本變形為拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲五種。實(shí)際上，飛機(jī)結(jié)構(gòu)受力時(shí)，各構(gòu)件的變形，往往是比較復(fù)雜的，常常是幾種變形的組合，稱為復(fù)合變形。1.3.3內(nèi)力和應(yīng)力的概念當(dāng)構(gòu)件受到外力作用而變形時(shí)，材料分子之間的距離發(fā)生變化，這時(shí)分子之間會(huì)產(chǎn)生一種反抗變形，力圖使分子間的距離恢復(fù)原狀的力，這種力叫內(nèi)力。構(gòu)件受力變形時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)力，可利用截面法求得。要判斷構(gòu)件受力的嚴(yán)重程度，僅知道內(nèi)力的大小是不夠的。構(gòu)件在外力作用下，單位橫截面面積上的內(nèi)力叫做應(yīng)力。如果內(nèi)力是均勻分布的，則構(gòu)件任意截面上的應(yīng)力等于截面上的總內(nèi)力除以橫截面積。應(yīng)力可分成垂直于所取截面和平行于所取截面的兩個(gè)分量。垂直于橫截面的應(yīng)力稱為正應(yīng)力，平行于橫截面的應(yīng)力稱為剪應(yīng)力。1.3.4強(qiáng)度和剛度的概念構(gòu)件在傳力過程中，橫截面上的應(yīng)力要隨著載荷的增大而增大。對(duì)于一定材料制成的構(gòu)件來說，當(dāng)截面上的應(yīng)力增大到一定限度后，構(gòu)件就會(huì)損壞（產(chǎn)生顯著的永久變形或斷裂）。構(gòu)件在外力作用下，抵抗破壞（或斷裂）的能力叫做構(gòu)件的強(qiáng)度。構(gòu)件的強(qiáng)度越大，表示它開始損壞時(shí)所受的載荷越大。為了使構(gòu)件在規(guī)定的載荷作用下工作可靠，應(yīng)保證它具有足夠的強(qiáng)度。構(gòu)件即使強(qiáng)度足夠，但在載荷作用下還可能由于變形量過大而影響工作。因此，構(gòu)件還應(yīng)具有足夠的抵抗變形的能力。構(gòu)件在外力作用下抵抗變形的能力稱為構(gòu)件的剛度。構(gòu)件的剛度越大，在一定的載荷作用下產(chǎn)生的變形越小。構(gòu)件在外力作用下保持其原有平衡形式的能力稱為構(gòu)件的穩(wěn)定性。細(xì)長(zhǎng)桿和薄壁結(jié)構(gòu)受壓后易突然失去原有的平衡形式，此種現(xiàn)象叫做失去穩(wěn)定性，簡(jiǎn)稱失穩(wěn)。飛機(jī)蒙皮在受壓后會(huì)產(chǎn)生皺折的現(xiàn)象，就是由于蒙皮受壓失穩(wěn)造成的。要保證構(gòu)件正常工作，構(gòu)件必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性與其材料的性質(zhì)、截面尺寸和形狀有關(guān)。另外構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度還與使用、維護(hù)的條件有關(guān)。例如，構(gòu)件裝配不當(dāng)，受到劃傷或腐蝕等，強(qiáng)度和剛度就會(huì)減弱。因此，維護(hù)和使用過程中，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件的性質(zhì)和受力特點(diǎn)等，注意保持其強(qiáng)度和剛度。1.3.5飛機(jī)承受的五種主要應(yīng)力所有飛機(jī)都承受有五種主要應(yīng)力拉伸應(yīng)力壓縮應(yīng)力扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（扭矩）剪切應(yīng)力彎曲應(yīng)力（彎矩）

拉伸應(yīng)力是抵抗試圖拉斷物體的應(yīng)力。壓縮應(yīng)力是抵抗壓力的應(yīng)力。扭矩是產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形的應(yīng)力。剪切應(yīng)力是抵抗力圖引起材料某一層與相鄰一層產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)之力的應(yīng)力。彎曲應(yīng)力是壓縮應(yīng)力和拉伸應(yīng)力的組合。當(dāng)桿件受到彎曲作用時(shí)，彎曲的內(nèi)側(cè)面縮短（壓縮），而彎曲的外側(cè)面拉長(zhǎng)（拉伸）。1.4機(jī)翼結(jié)構(gòu)1.4.1機(jī)翼的功用機(jī)翼是飛機(jī)的一個(gè)重要部件，其主要功用是產(chǎn)生升力。當(dāng)它具有上反角時(shí)，可為飛機(jī)提供一定的橫側(cè)穩(wěn)定性。在機(jī)翼上安裝有一些操縱面，在其后緣，有副翼和后緣襟翼；在其前緣有前緣襟翼、縫翼；在其上表面有擾流板。另外很多飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)和主起落架安裝于機(jī)翼結(jié)構(gòu)上。機(jī)翼的內(nèi)部空間常用來收藏主起落架和儲(chǔ)存燃油。1.4.2機(jī)翼的配置目前，除了個(gè)別低速飛機(jī)仍是雙翼機(jī)外，絕大多數(shù)是單翼機(jī)。

單翼機(jī)在機(jī)身上的配置，可分為上單翼、中單翼和下單翼三種型式。從機(jī)翼與機(jī)身的干擾阻力來看，以中單翼為最小，上單翼次之，下單翼最大。從機(jī)身內(nèi)部容積的利用來看，以上單翼為最優(yōu)躍。因?yàn)樯蠁我盹w機(jī)機(jī)翼通過機(jī)身的部分骨架，位于機(jī)身上部，不影響機(jī)身內(nèi)部容積的利用；中單翼的翼梁要橫穿機(jī)身中部，對(duì)機(jī)身內(nèi)容積的利用有一定影響；下單翼飛機(jī)機(jī)身內(nèi)的可用容積較大，但固定在機(jī)身下部的翼梁，會(huì)限制安裝在機(jī)翼下部部件的尺寸。吊裝在下單翼飛機(jī)下部的發(fā)動(dòng)機(jī)可使發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)方便。從起落架的配置來看，如果將起落架裝在機(jī)翼上，上單翼飛機(jī)的起落架較長(zhǎng)，這樣不僅重量大，而且不易收放。在這方面，下單翼機(jī)比較有利。此外，上單翼飛機(jī)由于機(jī)翼位置較高，檢修、拆裝機(jī)翼上的發(fā)動(dòng)機(jī)或其它附件，以及向機(jī)翼內(nèi)的油箱加添燃油都不方便，這會(huì)給維護(hù)工作帶來困難。1.4.3機(jī)翼上的外載荷如圖1-10所示，飛行中，作用于機(jī)翼的外部載荷有：空氣動(dòng)力、機(jī)翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量力和部件的質(zhì)量力。機(jī)翼在外部載荷作用下，象一根固定在機(jī)身上的懸臂梁一樣，要產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，因此，在這些外載荷作用下，機(jī)翼各截面要承受剪力、彎矩和扭矩。由于機(jī)翼結(jié)構(gòu)沿水平方向尺寸較大，因而水平剪力和水平彎矩的對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)受力影響較小，在受力分析時(shí)只分析垂直剪力、扭矩和垂直彎矩。機(jī)翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量力是機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量和它在飛行中產(chǎn)生的慣性力的總稱，即機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量和變速運(yùn)動(dòng)慣性力。升力是當(dāng)機(jī)翼以一定速度相對(duì)空氣運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣作用在機(jī)翼表面上的空氣動(dòng)力在垂直于來流方向上的分量。

1.4.4平直機(jī)翼各截面的剪力、彎矩和扭矩圖機(jī)翼主要受兩種類型的外載荷：一種是以空氣動(dòng)力載荷為主，包括機(jī)翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量力的分布載荷；另一種是由各連接點(diǎn)傳來的集中載荷。這些外載荷在機(jī)身與機(jī)翼的連接處，由機(jī)身提供的支反力取得平衡。當(dāng)機(jī)翼分成兩半分別與機(jī)身相連時(shí)，可把每半個(gè)機(jī)翼看做支持在機(jī)身上的懸臂梁；若整個(gè)機(jī)翼為一體時(shí)，則可把它看做支持在機(jī)身上的雙支點(diǎn)外伸梁。作用于機(jī)翼各截面的剪力、彎矩和扭矩是不相等的。如圖1-11所示，為平直機(jī)翼的剪力、彎矩和扭矩圖，它們描述了機(jī)翼截面剪力、彎矩和扭矩沿機(jī)翼翼展方向的變化情況?？梢钥闯觯孩偃绻麢C(jī)翼上只有空氣動(dòng)力和機(jī)翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量力，則越靠近機(jī)翼根部，橫載面上的剪力、彎矩和扭矩越大。②當(dāng)機(jī)翼上同時(shí)作用有部件集中質(zhì)量力時(shí)，上述力圖會(huì)在集中質(zhì)量力作用處產(chǎn)生突變或轉(zhuǎn)折。如圖1-12所示為后掠機(jī)翼的剪力、彎矩和扭矩圖。

1.4.5機(jī)翼主要受力構(gòu)件機(jī)翼的外部載荷，是由許多構(gòu)件組成一定型式的結(jié)構(gòu)來承受的。機(jī)翼通常是由翼梁、桁條、翼肋和蒙皮等構(gòu)件組成。翼梁由緣條和腹板鉚接而成，翼肋鉚結(jié)在翼梁腹板上，桁條鉚接在翼肋上，蒙皮則鉚接在翼梁緣條、翼肋和桁條等構(gòu)件上。機(jī)翼結(jié)構(gòu)中，各種構(gòu)件的基本作用不外乎有兩方面：一是形成和保持必需的機(jī)翼外形；二是承受外部載荷引起的剪力、彎矩和扭矩。形成機(jī)翼外形的基本構(gòu)件是翼肋和蒙皮。翼肋的形狀就是根據(jù)選定的翼型制成的。蒙皮包在整個(gè)機(jī)翼骨架外面，可以保證機(jī)翼外表光滑和形成必要的翼型。為了使蒙皮在局部空氣動(dòng)力作用下，不致產(chǎn)生過大的鼓脹和下陷，現(xiàn)代飛機(jī)都采用了金屬蒙皮。此外，桁