飞机结构及其特点

第1章飞机结构及其特点 本章内容 1 1飞机结构及组成 1 2机翼结构形式 1 3机身结构形式 1 4尾翼结构形式 1 5飞机制造工艺的特点 1 1飞机结构及组成 主要由机体 飞机操纵系统 飞机动力装置和机载设备等部分组成 其中机体包括机翼 机身及尾翼等部件 构成飞机的主体结构 1 1飞机结构及组成 波音747宽体客机 机翼一般是不对称的 上表面比较凸 而下表面比较平 流过机翼上表面的气流流速较快 而流过机翼下表面的气流正好相反 根据流体力学的基本原理 流动慢的大气压强较大 而流动快的大气压强较小 这样机翼下表面的压强就比上表面的压强高 换一句话说 就是大气施加与机翼下表面的压力 方向向上 比施加于机翼上表面的压力 方向向下 大 二者的压力差便形成了飞机的升力 1 2机翼结构形式 1 2机翼结构形式 机翼是飞机产生升力和滚转操纵力矩的主要部件 同时也是现代飞机存储燃油的地方 机翼作为飞机的主要气动面 是主要的承受气动载荷部件 其结构高度低 承载大 机翼通常有以下气动布局形式 平直翼 梯形翼 三角翼 后掠翼 边条翼 前掠翼 变后掠翼和菱形翼等 1 2 1机翼的基本组成 机翼重量一般占全机重量的8 15 机翼结构重量占机翼重量的30 50 机翼一般由机翼主盒 襟翼 扰流片 副翼 前缘襟翼 发动机吊挂等部分组成 1 2 1机翼的基本组成 1 2 1机翼的基本组成 机翼结构属薄壁型结构形式 构造上主要由蒙皮和骨架结构组成 机翼的基本结构元件是由纵向骨架 横向骨架以及蒙皮和接头等组成 纵向骨架 沿翼展方向安置的构件 包括梁 纵樯和桁条 横向骨架 沿翼弦方向安置的构件 主要包括普通翼肋和加强翼肋 1 蒙皮 2 桁条 3 翼梁 4 纵墙 5 翼肋 1 蒙皮 蒙皮的直接功用是保持机翼外形和承载 用粘接剂或铆钉固定于骨架上 形成机翼的气动力外形 气动载荷直接作用在蒙皮上 蒙皮将作用在上面的局部气动力传给结构骨架 在总体承载时 蒙皮和翼梁或翼墙的腹板组合在一起 形成封闭的盒式薄壁结构承受翼面扭矩 与长桁一起形成壁板承受翼面弯矩引起的轴力 根据蒙皮参与受力的程度可分两类 一类只能承受气动力载荷 有布质蒙皮 层板蒙皮和薄金属板蒙皮 早期的低速飞机广泛使用 另一类不仅可以承受气动力载荷 而且可在不同程度上承受弯曲 剪切和扭转等载荷 有铝合金蒙皮 通常在马赫数小于2 5的飞机上采用 钛合金或不锈钢蒙皮 通常在高温区和马赫数大于2 5的飞机上采用 1 蒙皮 结构最简单又广泛使用的是硬铝蒙皮 蒙皮和桁条组成的壁板有组合式或整体式 某些结构形式 如多墙式蒙皮 的蒙皮很厚 可从几毫米到十几毫米 常做成整体壁板形式 这时 蒙皮将成为最主要的 甚至是惟一的承受弯矩的受力结构 整体壁板可以减少连接件的数目 提高翼面整体油箱的密封性 可在保证足够强度和刚度条件下得到轻的光滑翼面 1 蒙皮 除了整体壁板外 近来夹芯蒙皮也得到推广 夹芯蒙皮由两层薄金属板或复合材料层板与轻质疏松或蜂窝结构夹芯互相连接而成 夹芯蒙皮可以降低翼面结构质量 提高翼面刚度和表面品质 无铆缝 并具有良好的隔热 隔音 防震 抵抗裂纹及其他损伤扩展能力 F15尾翼和方向舵蒙皮是全厚度铝夹芯和硼 环氧复合材料面板构成的蜂窝壁板 前 后缘为全铝蜂窝结构 2 桁条 桁条 也称长桁 是纵向较为细长的杆件 与蒙皮相连 对蒙皮起支持作用 一般还与翼肋相连 受翼肋支持 桁条是纵向骨架中的重要受力构件之一 承受翼面弯矩引起的轴向力和局部气动力引起的剪力 这些力的大小取决于翼面的结构形式并决定桁条横截面的形状和面积 2 桁条 桁条按截面形状分有开式和闭式 按制造方法分有板弯桁条和挤压桁条 板弯开式桁条由板材制造 容易弯曲 与蒙皮贴合好 得到翼面光滑 容易与蒙皮及其它构件固接 板弯闭式桁条可提高型材和蒙皮压缩临界应力 挤压型材比板弯型材具有较厚的腹板 受力临界应力较高 但与蒙皮 特别是弯度大的蒙皮 难以固接 a 板弯型材 b 挤压型材 3 翼梁 翼梁由梁的腹板和缘条 或称凸缘 组成 大多在根部与中翼段或与机身固接 剖面呈工字形或槽形 翼梁是单纯的受力件 缘条承受由弯矩M引起的拉压轴力 由支柱加固的腹板承受剪力并能承受由扭矩引起的剪流 使翼面周边形成闭室并在这两种情况下受剪 在有的结构形式中 它是翼面主要的纵向受力件 承受翼面全部或大部分弯矩 整体式翼梁 1 机翼与机身接头的耳片 2 挫修垫板 3 固定座 1 构架式翼梁 2 组合式梁 3 整体锻造梁 4 纵墙 纵墙的构造与翼梁相似 但缘条比梁缘条弱得多 而且不与机身相连 其长度有时仅为翼展的一部分 纵墙通常布置在机翼的前后缘部分 与上下蒙皮相连 形成封闭盒段 承受扭矩 纵墙一般都不能承受弯矩 靠后缘的纵墙还可以悬挂襟翼和副翼 纵墙还起到对蒙皮的支持 以提高蒙皮的屈曲承载能力 通常腹板设有减轻孔 为了提高临界应力 腹板用支持型材加强 后墙则还有封闭翼面内部容积的作用 5 翼肋 翼肋分为普通翼肋和加强翼肋 普通翼肋构造上的功用是维持机翼剖面所需的形状 并将局部气动载荷从蒙皮和桁条传递到翼梁和蒙皮上 一般它与蒙皮 长桁相连 翼面受气动载荷时 它以自身平面内的刚度向蒙皮 长桁提供垂直方向的支持 同时 翼肋又沿周边支持在蒙皮和梁 或墙 的腹板上 在翼肋受载时 由蒙皮 腹板向翼肋提供各自平面内的支承剪流 5 翼肋 加强翼肋主要用于承受固定在翼面上的部件 起落架 发动机 副翼及翼面其他活动部分悬挂接头 的集中力和力矩 并将它们传递转化为分散力传给蒙皮和翼梁 纵墙的腹板 结构不连续的地方也要布置加强肋 用于重新分配在纵向构件轴线转折处壁板和腹板之间的力 或在翼面结合处和大开口边界上将扭矩转变为力偶 加强肋有很大的横截面积 挤压型材制成的缘条 腹板不开口 用支撑角材加强 翼肋上的桁条重新对接 不需要切断翼肋缘条 有时这样的翼肋由锻件制造 或采用桁架式结构 波音747 400机翼 1 2 2机翼结构形式 机翼的特点是薄壁结构 以上各构件之间的连接大多采用分散连接 如铆接 螺接 点焊 胶接或混合方式 如胶铆 机翼结构形式是指结构中主承力系统的组成形式 通常按照强度设计的要求选择机翼结构形式 典型的受力形式有蒙皮骨架式 整体壁板式和夹层结构 1 蒙皮骨架式 梁式 单块式 多墙式 2 整体壁板式 3 夹层结构 机翼的受力分析 机翼主要受 剪力 弯矩 扭矩剪力主要是由翼梁腹板承受的 弯矩要使机翼产生弯曲变形 弯矩引起的轴向力是由翼梁缘条 桁条和蒙皮共同承受的 机翼受扭矩作用时 翼梁缘条和桁条都很容易变形 而金属蒙皮和翼梁腹板所组成的合围框 却能很好地反抗扭转变形 1 蒙皮骨架式 按照抗弯材料的配置 蒙皮骨架式翼面可分为梁式 单块式和多墙式三种结构形式 最初的薄壁结构翼面蒙皮很薄 只承担扭矩 不能承受弯矩 称为梁式结构 以后蒙皮不断加厚 支持蒙皮的桁条相应加强 蒙皮不仅承扭 还参与承弯 并且承弯程度越来越高 以至蒙皮与桁条一起组成的加强壁板成为主要的承弯构件 此时结构便发展成单块式结构 蒙皮进一步加厚 取消桁条 由多根纵墙对蒙皮提供支持 蒙皮单独成为承弯元件 此时结构便发展为多墙 腹板 式结构 梁式结构 梁式结构多用于相对厚度大 结构载荷参数比较小 要大开口的翼面中 或用在机翼与机身需要安排设计分离面的布局中 梁式结构的主要构造特点是蒙皮很薄 常用轻质铝合金制作 纵向翼梁很强 纵向长桁较少且弱 有时在与翼肋相交处断开 梁缘条的剖面与长桁相比要大得多 按翼梁的数目 梁式结构可分为单梁式 双梁式和多梁 3 5根梁 式 梁式结构 单梁式 翼梁通常放在剖面最高处 以便充分利用结构高度 提高翼梁的抗弯能力 减小缘条中因弯矩引起的拉压轴力 减轻翼梁质量 这种翼面通常布置1 2根纵墙形成闭室 提高翼面抗扭能力 前后纵墙还可用来固定副翼 襟翼及缝翼 双梁式 翼面内部空间合理利用较有利 两梁之间结构高度较大的部位可用来收藏起落架或放置燃油箱 但梁的高度降低 结构较重 多梁式 多用于弦长较大的小展弦比机翼 安全性较高 可以设计成多通道传力 梁式结构 单梁式结构 1 前梁 2 后梁 3 后墙 4 桁条 5 普通翼肋 6 蒙皮 7 梁缘条 8 立柱 9 接头 10 加强翼肋 双梁式结构 梁式结构 优点 结构简单蒙皮上开口方便 对结构承弯能力影响较小 对接点少 连接简单 缺点 蒙皮承弯作用利用不充分蒙皮失稳后易出现皱纹 增大阻力生存性比其他承弯材料分散性大的结构形式低 单块式结构 随着飞行速度的进一步增大 为保持机翼有足够的局部刚度和扭转刚度 需要加厚蒙皮并增多桁条 这样 由厚蒙皮和桁条组成的壁板已经能够承受大部分弯矩 因而梁的凸缘就可以减弱 直至变为纵樯 于是就发展成为了没有翼梁的单块式机翼 单块式机翼的维形构件和受力构件已经完全合并 单块式结构蒙皮较厚 与长桁 翼梁缘条组成壁板 承受绝大部分弯矩 纵向长桁布置较密 长桁截面积与梁的横截面比较接近 梁或墙与壁板形成封闭的盒段 增强了翼面结构的抗扭刚度 单块式机翼仅在前后梁之间的中央部分为受力的上下壁板 形成一个翼盒 称为盒形梁 单块式结构 单块式结构 优点 蒙皮在气动载荷作用下变形较小 材料向剖面外缘分散 抗弯 抗扭强度及刚度均有所提高 安全可靠性比梁式结构好 缺点 结构比较复杂 大开口后 需加强周围结构以补偿承弯能力 与机身连接时 接头必须沿周边分布 结合点多 连接复杂 为了充分发挥单块式结构的受力特性 左 右翼面最好连成整体贯穿机身 多墙式结构 多墙式结构由厚的承力蒙皮和多根墙组成 除在受集中力部位安排加强肋外 一般不安排普通肋 由于该结构的受压蒙皮通过墙得到受拉面蒙皮的支持 因此具有很高的应力水平和承弯能力 厚蒙皮翼盒结构承扭刚度大 对于高速飞机的薄机翼情况特别适宜 可有效解决薄机翼的强度 刚度与减轻结构质量之间的矛盾 这种结构只能用于没有大开口的翼面 并被广泛设计成机翼整体油箱 多墙式结构 多墙式结构 优点 抗弯材料分散在剖面上下缘 有较高的结构效率 局部刚度及总体刚度大 受力高度分散 多墙抗剪 蒙皮分散受弯及多闭室承扭 破损安全性好 生存性高 缺点不宜大开口 与机身连接点多 2 整体壁板结构 由若干个大型整体件如整体蒙皮壁板 整体梁和整体肋组成 而整体件则是由整块毛坯加工制成的大型结构受力元件 整体壁板翼面由蒙皮与纵向构件 横向构件合并而成上下两块整体壁板 然后再铆接装配而成 1 结构形式 主要为变厚度蒙皮 结构简单 蒙皮与长桁和肋通过铆接方式连接起来 优点 零件成形容易 一般采用拉形或滚弯成形 缺点 零件数量多 蒙皮与长桁和肋的连接装配工作量大 2 结构形式 带整体加强凸台 口框 下限 变厚度蒙皮等结构要素 与长桁和肋通过铆接方式连接起来 优点 单个零件制造难度降低 缺点 零件数量多 蒙皮与长桁和肋的连接装配工作量大 3 结构特点 带整体加强凸台 口框 下限 变厚度蒙皮等结构要素 且筋条和蒙皮之间没有任何机械连接 优点 结构整体性好 零件数量少 减重10 30 大幅降低连接装配工作量 密封性能好 缺点 材料利用率低 成形难度大 1 简单蒙皮零件 2 铆接组合式整体壁板结构 3 整体带筋壁板结构 整体壁板结构的特点 蒙皮容易实现变厚度 加强筋可以合理布置 蒙皮材料离翼剖面中心最远 受力效果好 强度 刚度较大 构造简单 质量轻 铆缝少 表面光滑 气动外形好 零件少 装配协调容易 整体壁板结构除了用金属材料制造以外 用复合材料制造也有很大的发展前景 国内研制的一种新型飞机上 为了进一步的降低飞机的结构重量 减少装配工作量 采用了更新的飞机机翼整体壁板的设计思想 它集变厚度蒙皮 长珩 梳状接头 口盖 横向加强肋与一起 形成新型的飞机机翼整体壁板 整体壁板结构技术要求 零件加工完成后的尺寸为10880mm 640mm 64mm 宽度方向的弧形弓高为13mm 毛料重量 1 898吨 零件重量 221kg 因此其零件尺寸和加工前后重量的变化对加工控制的要求就是一个难点 零件的协调要求高是一个难点 要求相邻的壁板两端面和15个加强肋的位置偏移不能超过0 5mm 理论外形面对装配型架的间隙不超过0 5mm 零件加工过程中的变形控制要求在0 5mm以内 由于T型筋与加强肋的纵横交错成网格状 使零件内部形成了底面为弧形 四周为变化角度的立筋 T型筋的凹槽和槽底面上设计的360多个台阶和下陷 由于零件的材料利用率仅有11 6 切削余量很大 3 夹层结构 采用夹层板作为元件 夹层板是将单层板分成两层薄板 中间夹以芯层构成 芯层一般是轻质材料 轻质木材或硬泡木塑料 或各种金属材料 复合材料 面板有铝合金 不锈钢等 目前 应用最多的是铝蜂窝夹层结构 夹层结构又可分为夹层板结构和夹层盒结构 夹层板结构 主要由上下夹层板壁板 前后梁和翼肋组成 相比同样质量的单层蒙皮 夹芯蒙皮的强度 刚度大 能承受较大的局部气动力 气动外形好 两层面板间充满空气和绝热材料 耐热绝热性好 受力构件少 构造简单 装配工艺性 密封性好 但制造工艺较复杂 特别是接头和分段处制造更困难 且夹层结构上不宜开口 夹层盒结构 对厚度很小的翼面 可制成全厚度夹层或全填充夹层结构 该结构除在机翼尖部和根部安排翼肋外 不安排其他翼肋 上蒙皮通过夹芯得到下蒙皮的支持 有很高的应力水平和轻的结构重量 蜂窝夹层结构 1 2 2机翼结构形式 从现代飞机的翼面结构来看 薄蒙皮梁式结构已很少采用 大型高亚音速的现代运输机和有些超音速战斗机采用多梁单块式结构 马赫数较大的超音速战斗机多采用多墙 或多梁 式机翼结构 或采用混合式结构形式 如在根部要开口的部位采用梁式 外端较薄处为增大刚度而采用单块式 1 3机身结构形式 机身是指飞机机体结构中除各机翼结构之外的机体结构部分 机身结构包括机身 短舱 尾撑等筒形结构 主要用于装载和传力 同时将机翼 尾翼 发动机和起落架等部件连接在一起 此外 可以安置空勤组人员和旅客 装载燃油 武器 各种仪器设备和货物等 机身结构一般由蒙皮和内部骨架组成 内部骨架由纵向元件 长桁 桁梁 和垂直于机体纵轴的横向骨架 隔框组成 通常 机身结构各元件的功用相应地与机翼结构中各元件的功用相同 1 进气道唇口 2 上桁梁 3 下桁梁 4 6号加强框 5 11号加强框 6 进气道外蒙皮 7 进气道内蒙皮 8 进气道内蒙皮加强筋 9 座舱底板 10 设备舱底板 蒙皮 机身蒙皮材料一般采用铝合金 对关键件应采用断裂 疲劳性好的材料 如LY12 2024 T4等 对于Ma 3的飞机 在受热影响较大的部位采用钛合金或不锈钢板材 在某些情况下 也有用厚铝板经化学铣切等方法直接加工成带纵 横筋条的整体壁板 蒙皮厚度首先要考虑载荷的大小 由于一般机身中部受力大 两端受力小 故中部的蒙皮比两端的厚 纵向骨架 长桁与桁梁均为机身的纵向构件 结构中长桁与机翼的长桁相似 长桁承受部分作用在蒙皮上的气动力并将其传给隔框 另外 长桁对蒙皮起支持作用 提高蒙皮受压 受剪时失稳临界应力 长桁与蒙皮组成承力壁板 在桁条式机身中 根据受力合理 结构效率高 工艺性好等多方面因素综合考虑其剖面形状 分布规律 长桁沿机身周边基本为均匀分布 沿机身纵向尽量按等角辐射布置 约占12 20 的机身结构重量 现代战斗机其间距一般为80 150mm之间 轰炸机 运输机等一般为50 250mm之间 横向骨架 主要由普通框和加强框组成 框的功用与机翼中的肋相同 普通框用于维持机身的截面形状以及固定蒙皮和桁条 承受蒙皮的局部载荷 对桁条提供支持 加强框主要是传递机翼 尾翼的集中力和集中装载等 通过连接件以剪流形式将力分散传给机身蒙皮 1 3 1典型的机身结构形式 机身通常要承受剪力 弯矩以及沿机体轴向的轴力和扭矩 并且机身内部需要装载货物 乘员和发动机等 一般采用刚性薄壁空间结构 主要有桁架式 半硬壳式 包括桁条式和桁梁式 和硬壳式 厚蒙皮 等几种典型结构形式 1 桁架式结构 桁架式结构的机身是一个立体构架 早期飞机的构架式机身由受力空间桁架系统和不参与总体受力的蒙皮构成 桁架的组成元件只承受拉力或压力 蒙皮通常只承受局部气动载荷 起维形作用 目前这种结构仅在小型或轻型飞机上采用 2 桁条式结构 桁条式结构特点是长桁较多 较强 蒙皮较厚 弯曲变形主要由桁条和蒙皮来抵抗 而在局部载荷较大的地方则把桁条加强 这种结构的弯曲和扭转刚度大 机身的重量较轻 生存力较好 但蒙皮不宜开大口 开口处加强困难 桁条式机身损伤容限特性好 能通过载荷再分配经受住局部破坏 不致造成机身结构的总体破坏 桁条式机身广泛地应用在旅客机等大型飞机上 3 桁梁式结构 桁梁式结构的结构特点是结构纵向具有较强的桁梁 是抵抗弯曲变形的主要构件 桁梁的截面很大但桁条较少且较弱 甚至桁条可以不连续 蒙皮较薄 便于开口 桁梁式结构一般安置四根纵梁 纵梁布置除考虑最佳承受弯矩状态外 还考虑大开口处结构加强和集中载荷传递 桁梁式机身适合于相对载荷较小 或有大开口的机身或机身的某段结构采用 这种机身结构广泛地用于小型飞机和大开口较多的飞机上 通常把桁条式和桁梁式机身称为半硬壳式机身 半硬壳式机身结构的蒙皮 桁条加强壁板构成的盒段结构重量轻 强度高 易制造和好维修 4 硬壳式结构 硬壳式结构的机身蒙皮进一步加厚 直至完全代替桁梁或桁条 整个结构仅由蒙皮和隔框构成 通常硬壳式结构是一个厚壁筒壳 由蒙皮和少数隔框组成 没有纵向构件 蒙皮很厚或采用夹层结构 硬壳式结构具有较大的抗扭刚度 但结构质量重 蒙皮材料的利用率不高 硬壳式机身不便于开口 因此一段时期飞机上用得较少 只在机身结构中某些气动载荷较大 要求蒙皮局部刚度较大的部位 如头部 机头罩 尾锥等处 具体构造也有用夹层结构或整体旋压件等形式 随着整体结构的不断采用 制造工艺的不断发展 现代战斗机的机体结构重新采用硬壳式结构形式 如F 35战斗机 其设计思想是飞机的结构完全整体化 组件化和模块化 飞机结构件大量采用复合材料 使飞机的零部件数量大幅度减少同时又具有很大的刚性 F 35战斗机有3种机型 空军用型CTOL 海军用型CV和短距起飞垂直降落型STOVL 其中80 的零部件可以通用 这样 也使得现代飞机的装配过程与传统的 软壳 式结构飞机有了根本性的变化 硬壳式又可分为 1 厚蒙皮式 2 加强壳式 3 波纹板式 4 蜂窝夹层式 1 3 2机身典型布局形式 为提高飞机的维护性 战斗机机身结构要有很高的开口率 因此往往使结构传力路线布置变得十分困难 在总体布局时 特别要综合处理好维护性与合理传力的矛盾 一般情况 新一代战斗机的机身开口率可达50 特别机身腹部有前起落架舱开口 内埋武器舱开口 用于脱装发动机的大开口等 对于机身起落架布局的飞机 主起落架舱形成了更多的机身大开口 机头电子舱 设备舱也几乎将机头部位全部开口 因此机身结构大都采用梁式布局 较少开口的结构可采用单块式结构形式 尾翼的气动弹性特性受机身刚度影响十分大 许多飞机为满足尾翼的刚度要求 在后机身两侧布置了加强边条 F 16 苏 27飞机就采用了这种布局形式 米格 17机身结构 前机身采用桁梁式 后机身为单块式结构 总体为复合式结构 前机身由于大开口多 采用桁梁式 由4个截面为W形的桁条作为主要纵向受力件 与桁条及横向的隔框组成机身骨架 后机身为桁条式结构 桁梁较密 蒙皮较厚 1 4尾翼结构 用于保证飞机的纵向和航向的平衡与安定性 以及对飞机的操纵 一般常规飞机的尾翼由水平尾翼和垂直尾翼两部分组成 水平尾翼由水平安定面和升降舵组成 垂直尾翼由垂直安定面和方向舵组成 水平尾翼 水平尾翼简称