飞行器结构设计第二章.ppt

2019/4/29,1,第二章、飞机结构的外载和典型构造,本章内容 1 飞机的外载荷 2 介绍机翼、尾翼和机身的典型结构,2019/4/29,2,第二章、飞机结构的外载和典型构造,2.1 飞机的外载荷 一. 飞机结构的主要载荷 飞机作为运载工具要求反复使用，可能经历各样的复杂载荷历程。 最主要、最基本的有哪些？ 对结构的影响作用是什么？这是设计师们 关心的基本问题；其次是不同载荷形态与主要载荷的差异以及这些载荷 的变化规律（包括大气气象规律的统计）。 1. 思维要点： 主要载荷形式； 主要载荷分类； 作用于结构如何分析。,2019/4/29,3,2.1 飞机的外载荷,2. 载荷的参照坐标系：机体坐标系,2019/4/29,4,2.1 飞机的外载荷,3. 基本载荷形态及分析 从飞行原理上可以知道： 加力飞行； 匀速平直飞行； 停机、滑跑状态。,2019/4/29,5,2.1 飞机的外载荷,2019/4/29,6,2.1 飞机的外载荷,2019/4/29,7,2.1 飞机的外载荷,飞机的外载： 重力（G)、升力（Y)、 阻力（X）、推力（P）、起落架载荷。 惯性力：质量乘以加速度的负值 质量力：飞机重力G（mg）和惯 性力N(-ma)均与飞机质 量m有关，故统称为质量力。,2019/4/29,8,2.1 飞机的外载荷,达朗倍尔动静分析（刚体动平衡）,2019/4/29,9,2.1 飞机的外载荷,飞机的外载图像演示,2019/4/29,10,2.2典型飞行姿态和载荷系数,1.俯冲拉起:对称面内作曲线机动飞行情况（纵向飞行） 飞机的升力使飞机保持向心曲线运动。,2019/4/29,11,2.2典型飞行姿态和载荷系数,动平衡关系：（机体坐标系y向） ,表现了运动的变速特征（曲线运动） 即： 升力等于G乘上一个系数，该系数称为载荷系数。,2019/4/29,12,2.2典型飞行姿态和载荷系数,分析该曲线运动中， 的特性： 与曲线航迹半径成反比，与切线运动速度 的平方成正比，这表明： 若 一定，v 一定，则运动半径就规定了；太 小，则结构承载发生问题； 若 一定，v 一定，则速度就要限制。 由此看来，对结构设计是一个重要的无量纲载荷系数。,2019/4/29,13,2.2典型飞行姿态和载荷系数,二. 载荷系数的概念 1. 载荷系数定义：除重力外，作用在飞机某方向上的所有外力的合力与当时飞机重量的比值，称为该方向上的载荷系数。 Note ： 对重力视可不见； 千万不能计及惯性力； 机体坐标系为正向； 载荷系数是一矢量，分量用nx、ny、nz表示。 e.g. 平直匀速飞行：ny=1 平直匀速倒飞：ny=-1（-Y/G Y与机体坐标系相反）,2019/4/29,14,2.2典型飞行姿态和载荷系数,(2) 物理意义： 表示了作用于飞机重心处的外力与飞机重力 的比值关系； 表示了飞机质量力（重力与惯性力均与质量有关， 故统称为质量力）与重力的比率。 （应注意质量力与外力方向相反） 飞机的质量力应当是飞机的各部分质量力之和：,2019/4/29,15,2.2典型飞行姿态和载荷系数,飞机中的某集中质量GI=mig，作用在结构上的质量力为： 当飞机沿x方向有变速运动时，x向惯性力： 若俯冲拉起中的曲线运动中，切向是加速运动，则： nz= 0（飞机展向变速平移难）；az一般较小，在大机动飞行中可能出现。,2019/4/29,16,2.2典型飞行姿态和载荷系数,2、 实用意义 作为飞机结构设计时重要原始载荷系数； n 的大小实际反映了飞机的机动性能； 结合n 和已知的气动力分布，可获得实际作 用于结构上载荷的大小，从而进行设计与校验。 可通过在飞机重心处安装加速度计来获取。,2019/4/29,17,2.2典型飞行姿态和载荷系数,三、其他飞行姿态的过载 1、进入俯冲状态： （可能为负，说明升力不总是正的） 2、垂直俯冲状态： (外作用合力等于惯性力合力的负值),2019/4/29,18,2.2典型飞行姿态和载荷系数,3、等速水平盘旋：（非对称机动飞行）,2019/4/29,19,2.2典型飞行姿态和载荷系数,2019/4/29,20,2.2典型飞行姿态和载荷系数,4、垂直突风 (在航迹运动坐标系中分析),2019/4/29,21,2.2典型飞行姿态和载荷系数,（1）计算突风引起的升力变化: （2）计算载荷系数 Note: 若突风不垂直飞机时,应怎样处理?,2019/4/29,22,2.2典型飞行姿态和载荷系数,5、飞机转动(升降)时的过载(刚体运动分析),2019/4/29,23,2.2典型飞行姿态和载荷系数, 运动分析: 旋转+平移 载荷分析:当平尾产生机动载荷时,飞机产生平移与旋转；该载荷克服了飞机原有的平飞状态,使飞机在上述两个运动中产生加速度。从动平衡角度,平尾机动载荷与它克服的惯性力及力矩相平衡。,2019/4/29,24,2.2典型飞行姿态和载荷系数,.平移速度载荷系数(质点)(外载分析法) .绕中心转动的载荷系数(质量力分析法) Note: 表示单位长度上的重力 集中装载物(发动机,机载设备) 要注意装载物较长的情况,当作集中点误差太大,则应 (绕自身重心轴的质量惯性矩),i表示转动轴线上的任意位置,2019/4/29,25,2.2典型飞行姿态和载荷系数,6、着陆时的过载,2019/4/29,26,2.2典型飞行姿态和载荷系数, 这里的过载定义与空中飞行情况不同。 当空中匀速飞行时, ny=1 表示 Y/G=1 地面滑行或停止态时,再以升力来定义已毫无意义, 应以地面的支撑载荷与重量之比来定义, 即 ny=1=Plg/G Note: i. 这两种情况下的ny=1,但飞机结构的承载方式却 完全不同,匀速平飞是一种分布载荷作用,而着陆 主要是以集中力形式作用于起落 架上,通过起落 架作用于机身。,2019/4/29,27,2.2典型飞行姿态和载荷系数,ii. 工程上,常称平飞时 ny=1 为平飞的 1g (g是以重力为单位)； 停机时 ny=1 为停机的1g,2019/4/29,28,2.2典型飞行姿态和载荷系数, 着陆时载荷分析:从着陆前到完全着陆瞬间,飞机y向 速度从-Vy减至零, 故此时的减速度为: 所以，减速度a指向机体坐标系y的正向，故此时的惯性力(作用于地面)的方向是向下的。 由动平衡分析:,2019/4/29,29,2.2典型飞行姿态和载荷系数, 由着陆时的载荷(地面给予的外载荷)与重量之比 的过载定义,即设: 这个过载不允许过大,一般ny=34 (因为与飞行时对结构 与人的作用不 同) 着陆或滑时的情况多样,还可能发生nx,或nz.,2019/4/29,30,2.2典型飞行姿态和载荷系数,7、飞机设计时最大载荷系数的选取 影响选择最大载荷系数的因素: i. 载荷系数实际反映了飞机的机动性能,因此越大越好,但对运输机 或客机则没有太大必要。 . 载荷系数又反映了对结构的载荷作用, 载荷系数越大,表明飞机 结构的承载越大,要有足够的刚、强度，则结构重量大。,2019/4/29,31,2.2典型飞行姿态和载荷系数,. 载荷系数的载荷作用，不仅对结构有作用，而且对机载设备及乘员有载荷作用。载荷系数越大，对他们的作用越强，要视他们的承受能力而定。 . 飞行时的载荷系数（除突风干扰外），一般来自于发动机的推力，载荷系数大，结构要重，发动机的加力性能要好，即剩余推力要大。 . 载荷系数的选择影响因素众多，要依据技术性能要求综合确定,并不是越大越好。,2019/4/29,32,2.2典型飞行姿态和载荷系数, 人对过载的反映： 说明人在短时间承受较大过载尚可，特别是正过载。较长时间承受过载能力很差，特别是负过载。 战斗机的过载一般为-38 民机则无必要。 提高人抗过载的能力：抗过载服。 规范中的过载系数可供选择(飞行包线上给定）。,2019/4/29,33,2.3 复杂载荷情况,飞机是一种反复使用的运载工具或作战武器。服役期内会遇到各种载荷。 设计中，不仅应掌握典型设计状态中的极限载荷及其对结构作用的分析方法，（以作为飞机结构极限能力的设计依据）；还应把握这些载荷的变化规律，作用次数等统计规律，因为这些虽未达到极限状态，但长期作用仍对结构有破坏作用，这就是通常所说的疲劳载荷。,2019/4/29,34,2.3 复杂载荷情况,一、疲劳载荷 飞机遇到载荷长期反复变化地作用，这种作用会导致结构 的“疲劳” 破坏，因此这种载荷历程一般称为“疲劳”载荷。 类 型： 1.突风载荷：大气紊流的作用，是民机、运输机的重要疲劳 载荷，大气紊流的强度以及作用的次数统计； 2.机动载荷：飞机机动（变速）飞行中升力变化载荷，是军机的 主要疲劳载荷，机动飞行的种类,飞行次数等； 3.增压载荷：气密压舱一个飞行起落中，压力的变化，增压载 荷的变化规律，作用次数等统计； 4.着陆撞击载荷：一个起落一次撞击，撞击载荷的强度；,2019/4/29,35,2.3 复杂载荷情况, 地面滑行载荷：指地面滑行飞机颠簸所受到的载荷，与飞 机跑道的质量、飞机的重量等有关； 发动机动力装置的热反复载荷； 地-空-地循环载荷：飞行地面滑行时的1g载荷变化到空中 飞行的1g载荷，这种均值载荷的变化也是疲劳载荷； 其他：机翼尾流对尾翼的周期性作用,2019/4/29,36,2.3 复杂载荷情况,作 用： 设备工作的影响； 人员的不适； 结构疲劳导致缺陷生长成裂纹并不断发展，最终导致断裂 疲劳载荷是飞机设计中最重要的考虑因素，是定寿的基本依据。 二、其他特殊情况载荷 1、非正常状态载荷: 单发停车、尾旋、单轮着地、打地转、机头碰地、飞机翻倒、强迫着陆等情况。,2019/4/29,37,2.3 复杂载荷情况,2、鸟撞载荷 鸟撞试验，2km以下最大飞行速度飞行时风档承受1.8kg鸟撞。 3、冰雹载荷 防冰、破冰措施，考虑承受冰雹撞击（密度、直径、速度等） 4、噪声：声压场测量 预测声载荷大小、分布、作用时间，声振结构疲劳分析 动力装置噪音：螺旋桨、压气机、喷气的噪音 空气动力噪音：附面层压力波动、尾流、激波振荡 武器发射噪音：机炮、导弹、火箭发射 5、瞬时的响应载荷 起飞助推、外挂物投放、弹射等对飞机结构作用的载荷。,2019/4/29,38,2.3 复杂载荷情况,三、环境谱的编制 前面的载荷谱为载荷大小随时间的变化，即载荷时间历程，环境谱则为环境强度随时间的变化，即环境时间历程。 一架飞机使用寿命：民机3000060000飞行小时 军机30008000飞行小时 日历寿命2025年 地面停放的影响主要是环境。 1.环境谱的编制步骤： 确定飞机使用环境种类（根据飞机的特定用途和使用方法） 根据战、技要求或使用要求，确定飞机在不同地域服役时间 根据使用任务剖面（规定了任务类型、有效负载、飞行时 间和该任务的使用百分比），确定各任务段的时间比例及地面停放时间比例； 获取环境数据； 编制各类环境谱。,2019/4/29,39,2.3 复杂载荷情况,2、温度效应及其载荷 来 源： 高速气流运动（一般）在机体表面的摩擦生热，与环境温度及 飞行速度有关： 发动机燃烧及其尾部热气流对结构的作用。 作 用： 一般降低结构材料的强、刚度； 产生热变形/热应力； 均匀温度对静定结构产生热变形而无热应力； 温度梯度产生热变形和热应力； 均匀温度对静不定结构产生热应力。 热的蠕变效应。,2019/4/29,40,2.4 飞机设计规范,飞机设计规范简介： 指定设计规范的意义：对飞机设计和研制给出全面要 求的指令性技术文件，是飞机设计员的工作依据. 政府与权威研究机构组织制定，也可与设计主管部门 共同制定。 设计规范不是统一的，而是针对不同的飞机类型制定 不同的设计规范，因为飞机的任务与技战术要求不同。 设计规范与设计手册是飞机设计人员的基本工具。,2019/4/29,41,2.4 飞机设计规范,一、规定了飞机的分类及其相应的载荷系数（结构设计规范） 按用途分： 歼击机（J）；强击机（Q）；歼击教练机（JJ） 多用途机（DY）；教练机（JL）；轰炸机（H） 大型运输机（YH） 用机动性分 机动类（歼击机，强击机及相应的教练机） ny=-38 半机动类（战术轰炸机，多用途飞机） ny=-24、 非机动类（战略轰炸机，运输机） ny=-13,2019/4/29,42,2.4 飞机设计规范,二、规定了飞行包线及设计情况 1、设计情况具有代表性的最严重的各种飞机载荷情况。 使飞机结构易遭到破坏、人员设备易受损伤的载荷情况都应入选 最大的正向和反向载荷情况 对主要结构件将产生危险损坏的载荷情况 对飞行战术技术性能将产生严重影响的载荷情况 对人员将产生损伤的载荷情况 总载不大，但载荷作用的具体情况特殊，影响严重，也应作为设计情况考虑。 对称机动飞行包线的A, B, D, E情况 非对称机动中的滚转机动、滚转改出 对称着陆情况、偏航着陆、单个起落架着陆情况等。,2019/4/29,43,2.4 飞机设计规范,2、设计重量 最小飞行重量；空机重5燃油最少乘员 最大设计重量；携带最大机内及机外装载 基本飞行设计重量；空机重50燃油基本武器重量乘员、滑油、氧气重量 着陆设计重量。最大设计重量50机内及机外燃油,2019/4/29,44,2.4 飞机设计规范,3.飞行包线 i. 依据飞机飞行性能、操纵性、稳定性以及技战术要求，结构 强度 要求等综合确定的飞机飞行极限（nyvdl图）。 ii. 典型飞行状况的飞行包线 . 典型飞行载荷工况： a)对称机动飞行下的使用载荷； b)急剧俯仰机动； c)襟翼放下拉起状态； d)滚转与滚转改出机动等。,2019/4/29,45,2.4 飞机设计规范,4、安全系数：f i. 安全系数是静强度安全设计的主要解决方法。 使用载荷：飞机在使用中预计各构件可能遇到的最大载荷 设计载荷：使用载荷乘以安全系数 安全系数取法 凡在规范中未作特殊说明之处，安全系数均为1.5； 当载荷的性质、大小和分布不能准确确定时，安全系数增大到1.65、2或更大； 对于主要的接头和耳片，由于特殊重要性，在上述安全系数基础上，尚应乘以附加安全系数1.25 ii. 静强度设计准则：,2019/4/29,46,2.4 飞机设计规范,iii. 使用设计载荷的原因： a) 保证结构安全； b) 反映静不定结构的承载能力，充分发挥静不定结构的承载 能力，可使结构设计得更轻； c) 便于与破坏载荷的理论设计实验验证； d) f值选取的影响因素； e) 设计要求（结构不能有影响功能的永久变形，强度裕度）； f) 材料应力应变特征(控制在一定应力水平和应变条件下）； g) 工艺制造水平； h) 计算、试验误差（粗糙、准确程度）。,2019/4/29,47,2.5 民用飞机适航性,1 适航管理条例 飞机在进行运输及其他航空作业时，须适应各种气象、地形、距离、载荷、飞行高度、空中交通规则程序等项要求，才能安全、及时和经济地运送旅客或完成其他飞行作业。为了保证飞行安全，飞机首先要具备相应的适航性能，为此世界各国民航当局对飞机的设计、生产、使用和维修等都制定了适航标准，规定或审定发证以及实施检查监督。,2019/4/29,48,2.5 民用飞机适航性,主要内容有： （1） 制定各类适航标准和审定监督规则； （2） 民用航空器设计的型号合格审定 （3） 民用航空器制造的生产许可审定 （4） 民用航空器的适航检查 （5） 民用航空器的持续适航管