飞机活塞第二章

第二章飞机结构 第二章飞机结构 飞机在飞行中 要受到各种载荷 飞机结构的强度和刚度 就是根据飞机可受到的载荷确定的 本章 主要研究飞机的结构和受力情况 一 飞机飞行中的载荷及过载 飞行中 作用于飞机的载荷主要有飞机重力 升力 阻力和发动机推力 或拉力 在飞机所承受的各种载荷中 对飞机结构影响最大的是升力 1 平飞中的受载情况 飞机作稳定等速直线平飞时 它所受的力有 飞机重力G 升力Y0 阻力X0和发动机推力P0 假定这四个力都通过飞机重心 且推力与阻力方向相反 则 Y0 GX0 P0 一 飞机飞行中的载荷 突风载荷 突风是指风速和风向随时变化的不稳定气流 因为突风方向的不确定性 为了分析问题方便 将突风分为水平突风和垂直突风 从飞机载荷的角度分析 在飞机巡航阶段遇到水平突风时 因为空速远大于风速 所以风速对升力的影响很小 可以忽略不计 但遇到垂直方向的突风时 升力将发生较大的变化 因此必须考虑此时飞机载荷的变化 当飞机平飞遇到垂直向上或向下的突风作用时 机翼迎角有一个正增量或负增量 使升力增大或减少 遇到垂直向上的突风时 升力将增大 而遇到垂直向下突风时 升力将减小 对于一架在一定高度飞行的特定飞机而言 垂直突风对飞机的主要影响因素是突风速度和飞机空速 突风速度不可能控制 只能通过控制飞机的速度来减小突风的影响 所以 在巡航中遇到强烈垂直突风时 适当减小飞行速度是减小突风影响的有效手段 2 曲线飞行中的受载情况 飞机在曲线飞行中的受载情况 要比它在平飞时受载情况复杂得多 这是因为在这些情况下 虽然作用于飞机上的外力还是重力 升力 阻力和发动机推力等 但是曲线飞行时 这些力是不平衡的 还要产生惯性力 下面通过两种基本的曲线飞行 垂直平面内和水平平面的曲线飞行 来分析飞机的受载情况 1 飞机在垂直平面内作曲线飞行时的受载情况 飞机在位置a时 作用在飞机上的力有 升力Y 重力G 推力P 阻力X和惯性离心力Nn 把它们投影到飞机飞行轨迹的法线方向 列出力的平衡方程式为 Y Gcos Nn 0 或Y Gcos GV gr 0 由此还可以得出 Y Gcos GV gr G cos V gr 由此可知 飞机在垂直面内作曲线飞行时 由于飞机在每一位置的角度不同 而且飞行速度V和飞行轨迹的曲率半径也不一样 所以 飞机的升力是经常变化的 有时还可能大大超过飞机的重量 飞机在位置b时 0 上式可得Y G 1 V gr 这时升力Y比重力G大 速度越大 曲率半径越小 升力越大 2 飞机在水平平面内作曲线飞行时的受载情况 飞机水平转弯时 具有一定的倾斜角 坡度 由于飞机保持在水平平面内飞行 把升力Y 重力G 投影到垂直方向 列出力的平衡方程式为 Ycos G 或 Y G cos 由于飞机水平转弯时 cos 总是小于1 故升力总是大于飞机重量的 倾斜角越大 升力越大 在实际飞行中 飞机转弯的倾斜角是有限定的 民航运输机的坡度都限制在60 以下 从以上分析可以看出 在曲线飞行中 飞机的受力往往很大 而且力的大小与飞行速度 曲率半径 转弯倾斜角等有关 因此 要求飞行员必须按照规定的速度 坡度等数据柔和地操纵飞机 以免飞机受力过大 二 飞机飞行中过载 在曲线飞行中 作用于飞机的升力经常不等于飞机重量 为了便于看出飞机在某一飞行状态时受力的严重程度 人们往往拿当时的升力同飞机的重量作比较 这样就有了过载 载荷因数 这一概念 飞机飞行中的过载是飞机在某飞行状态时的升力与飞机重量的比值 即 n Y Gn表示飞机受力的严重程度 n越大 表示升力比飞机重量大得越多 也就是飞机的受力越严重 二 飞机结构的承载能力 一 飞机结构强度 飞机结构在载荷的作用下其抵抗破坏的能力称为飞机结构强度 飞机结构强度越大 表示它开始损坏时所受的载荷越大 为了使飞机结构在规定的载荷作用下工作可靠 应保证它具有足够的强度 二 飞机结构刚度 飞机结构在载荷的作用下其抵抗变形的能力称为飞机结构刚度 飞机结构刚度越大 在一定的载荷作用下产生的变形量越小 飞机结构变形过大不仅使气动性能恶化 而且有可能产生失稳破坏 为此对飞机结构刚度提出了要求 以保证结构既不允许有显著的永久变形 而且弹性变形也加以限制 三 飞机结构安全系数 在飞机受到各种载荷作用时 要求飞机结构不仅不应被破坏 而且主要构件不应产生显著的永久变形 为了做到这一点 在设计飞机时 通常采用一个比飞机在使用中可能受到的最大载荷 使用载荷P使用 大适当倍数的载荷 设计载荷P设计 来进行强度 刚度计算 我们把设计载荷P设计与使用载荷P使用的比值叫做安全系数f 即 f P设计 P使用 安全系数越大 表示结构的设计载荷比它所受到的使用载荷大得越多 说明结构越安全 但安全系数过大 结构就会过重 所以 目前飞机结构的安全系数 大多在1 5 2这一范围内 三 机翼的载荷与结构 一 机翼的载荷 飞行中 作用于机翼的外部载荷有 空气动力q气动 机翼的结构质量力q机翼和部件的质量力P部件 从图中我们可以发现 前两种是分布载荷 后一种是集中载荷 二 机翼的结构1 机翼的结构与受力概述 机翼通常是由翼梁 桁条 翼肋和蒙皮等构件组成 翼梁由缘条和腹板铆接而成 翼肋铆在翼梁腹板上 桁条铆在翼肋上 蒙皮则铆在翼梁缘条 翼肋和桁条等构件上 机翼结构中 各种构件的基本作用 形成和保持必需的机翼外形 承受外部载荷引起的剪力 弯矩和扭矩 机翼结构中承受剪力 弯矩和扭矩的基本构件是翼梁 桁条和蒙皮 剪力Q要使截面外端的机翼沿垂直方向向上移动 由于机翼的蒙皮 翼梁缘条和桁条沿垂直方向很容易产生变形 而翼梁腹板抵抗垂直方向变形的能力很大 它有效地阻止机翼向上移动 所以 剪力主要是由翼梁腹板承受的 机翼受剪时 剪力Q由腹板截面上产生向下的剪切内力Q前腹板和Q后腹板来平衡 弯矩M弯要使机翼产生向上的弯曲变形 这时翼梁下缘条 机翼下表面的桁条和蒙皮 都会产生拉伸的轴向内力 而翼梁上缘条 上表面的蒙皮和桁条 则产生压缩的轴向内力 它们组成内力偶与弯矩平衡 所以 弯矩引起的轴向力是由翼梁 桁条和蒙皮共同承受的 机翼受扭矩作用时 翼梁缘条和桁条很容易变形 而金属蒙皮和腹板所组成的各个合围框 却能很好地反抗扭转变形 这时 蒙皮和腹板截面上会产生扭转剪应力 并形成反力矩来与扭矩平衡 因此 金属蒙皮机翼的扭矩 是由蒙皮和腹板组成的几个合围框承受的 2 机翼结构形式简介 在飞机的发展过程中 机翼的结构也不断得到了改进 从早期的布质蒙皮结构型式发展到金属蒙皮结构型式 而现在某些新型高速飞机 则采用了夹层结构和整体结构 1 布质蒙皮机翼 布质蒙皮机翼 只能承受由于局部空气动力所产生的张力 其构造简单 成本低 承受载荷不大时 结构重量较轻 因此它曾广泛地应用在低速飞机上 而且直到目前在某些轻型低速飞机上也还有采用的 2 金属蒙皮机翼 现代飞机多采用金属蒙皮机翼 金属蒙皮不仅能承受局部空气动力 而且能承受扭矩和弯矩 金属蒙皮机翼结构又分为梁式和单块式 梁式机翼 主要由梁来承受弯曲轴向力的机翼 按梁的数量又分为单梁式 双梁式与多梁式机翼 梁式机翼主要构件有翼梁 桁条 翼肋和蒙皮 其结构特点是梁强 蒙皮薄 桁条少而弱 翼梁腹板抵抗垂直剪切的能力最强而承受剪力 梁缘条抵抗弯曲变形的能力强而承受大部分弯曲轴向力 蒙皮和桁条则承受少部分 蒙皮构成的闭和框抵抗扭转变形的能力最强而承受全部扭矩 梁式机翼生存力较弱 也不适于做成结构油箱 但各机翼段之间的连接 以及与机身的连接较简单 检查维护比较方便 也适于开大的舱口 单块式机翼 桁条与蒙皮构成若干块壁板为主承受弯曲轴向力的机翼 单块式机翼主要构件有桁条 蒙皮 翼肋及纵墙 双墙或多墙 没有翼梁那样强的缘条 单块式机翼结构特点是 桁条多而强 与较厚蒙皮组成壁板 再与纵墙和翼肋相连而成 其受力特点是 纵墙主要承受剪力 壁板承受绝大部分弯曲轴向力 蒙皮同时承受扭矩 单块式机翼的生存力较强 也适于作结构油箱 但不便开大的舱口 各机翼段间连接 和与机身的周向连接接头多 检查维护不太方便 为了充分利用梁式机翼和单块式机翼的优点 尽量避免它们的缺点 目前许多飞机的机翼采用梁式和单块式复合的结构 即在靠近翼根而要开舱口的部分为梁式结构 其余部分为单块式结构 随飞行速度的提高 对蒙皮刚度和气动外形提出了更高的要求 为此 现代飞机多采用了夹层结构机翼和整体结构机翼 上下壁板是两层很薄的内外面板 中间夹很轻的蜂窝 泡沫或波形板粘合而成 使刚度大大提高 重量减轻 并且内部空间大 有利于作整体油箱 由整块铝或镁合金板材加工而成的蒙皮 桁条及缘条的合成体 再与纵墙连接而成 四 机身的载荷与结构 一 机身的载荷 在飞行和着陆过程中 机身要承受由机翼 尾翼 起落架等部件的固定接头传来的集中载荷 同时还要承受机身上各部件的重力 以及结构本身的重力 机身在上述载荷作用下 与机翼一样 也要承受剪力 弯矩和扭矩 机身受力的特点 机身承受的载荷主要是各个部件传来的集中载荷 机身在水平平面内的机身在对称面内剪切 弯曲和扭转的剪切和弯曲 二 机身的结构 机身通常由大梁 桁条 隔框和蒙皮组成 机身的结构型式也是随飞行速度的提高而不断改进的 早期的低速飞机普遍采用构架式机身 目前的飞机则广泛采用了薄壳式机身 1 构架式机身 在早期的低速飞机上 机身的承力构架都做成四缘条的立体构架 构架式机身的抗扭刚度差 空气动力性能不好 其内部容积也不易得到充分利用 但是 对于小型低速飞机来说这些缺点并不显著 2 薄壳式机身 为了使飞机结构的刚度能满足飞行速度日益增大的要求 需要使蒙皮参加整个结构的受力 因此 目前的机身结构 广泛采用了金属蒙皮 并将蒙皮与隔框 大梁 桁条牢固地铆接起来 成为一个受力整体 通常称为薄壳式机身 薄壳式机身结构 相当于一根闭口截面的薄壁梁 所以也叫做梁式机身 在薄壳式机身中 大梁和桁条用来承受弯矩引起的轴向力 蒙皮除了要不同程度地承受轴向力外 还要承受全部剪力和扭矩 隔框用来保持机身的外形和承受局部空气动力 薄壳式机身可分为桁梁式 桁条式和复合薄壳式 1 桁梁式机身 桁梁式机身由几根较强的大梁 弱的桁条 较薄的蒙皮和隔框等组成 1 隔框 2 蒙皮 3 大梁 4 桁条 桁梁式机身的特点 机身弯曲时 弯矩引起的轴向力主要由大梁承受 蒙皮和桁条组成的壁板 截面积较小 受压稳定性差 只能承受一小部分弯矩引起的轴向力 由于采用了较强的大梁 因而可以开大的舱口而不会显著地降低结构的强度和刚度 2 桁条式机身桁条式机身 取消了大梁 加强了桁条和蒙皮 由于蒙皮加厚 改善了机身的空气动力性能 增大了机身结构的抗扭刚度 所以与桁梁式机身相比 它更适用于高速飞机 但是 这种机身各构件受力比较均匀 传递载荷时必须采取分散传递的方法 因而机身各段之间都用很多接头连接 由于桁条和蒙皮较强 受压稳定性较好 弯矩引起的轴向力全部由桁条和蒙皮承受 3 复合薄壳式机身 复合薄壳式机身 机身前段采用桁梁式结构 后段采用桁条式结构 对于某些飞机来说 由于机身前段需要开很大的舱口 如座舱 前起落架舱等 采用桁梁结构比较有利 而机身后段不需开大的舱口 同时要求有足够的强度和刚度 且结构重量轻 采用桁条式结构最为有利 五 副翼 尾翼与机体整流结构特点 飞机的安定面及活动舵面主要保证飞机的横侧 方向 俯仰操纵性与安定性 其结构与机翼类似 但型式各有特点 一 副翼结构型式及特点 副翼是连接于机翼外侧后缘的操纵面 主要保证飞机的横侧操纵性 小型飞机一般为左右各一块副翼 大 中型飞机左右机翼一般各有内 外两块副翼 为了增加小型低速飞机着陆时的襟翼效应 使副翼随襟翼放下一定角度 这种能同时起到襟翼作用的副翼称为襟副翼 还有的三角形机翼 飞机襟翼与副翼合用 也称襟副翼 为了提高大型飞机横侧操纵效率 在左右机翼后缘的上部 或下部 安装数块扰流片 可随副翼动作 帮助副翼进行横侧操纵 当飞行中操纵副翼偏转时 一边扰流片张开扰动气流 增大滚转力矩 当着陆时 左右两侧扰流片一同张开还可起减速板的作用 现代大型客机采用内外混合副翼 外副翼又称低速副翼 飞机低速飞行时操纵外副翼偏转 当飞行速度达到一定M数时 外副翼则锁定 由内副翼与扰流片保证飞机横侧操纵 目的是防止大速度巡航飞行时 气动力引起机翼结构扭转变形过大 而导致副翼反操纵 副翼一般为梁式结构 而且翼型较薄 后缘为夹层结构 重量轻 强度 刚度小 容易变形 1 悬挂接头 2 操纵摇臂3 梁 4 内补偿气密薄膜5 配重 6 翼肋7 后缘型材 8 蒙皮 二 尾翼结构型式 飞机尾翼一般由垂直尾翼与水平尾翼组成 垂直尾翼由垂直安定面与方向舵组成 一般飞机方向舵为一块 有的大型飞机方向舵由上下两块组成 主要目的是减小垂直安定面变形引起的偏转卡滞 水平尾翼由水平安定面和升降舵组成 一般飞机升降舵为左右各一块 有的大型飞机升降舵为左右各两块 目的是减小变形 提高俯仰操纵效率 尾翼和机翼一样主要承受分布气动力 尾翼结构与机翼类似 正常尾翼 双垂尾 双机身双垂尾 十 字形 T 字形 V 字形 鸭式 尾翼 三 机体整流结构 为了保证机体流线光滑 以减小阻