结构设计实验课内容.doc

一、内容1) 以歼-7机身为典型，辅以轰-5、歼-6机身结构实物，观察了解机身的内部布置。机身采用的各种典型结构受力形式，及其相应的简化模型。2) 以歼-7前起落架所受载荷为典型，分析机身上的集中力通过哪些构件传递、扩散给机身结构。为传递各类集中力，机身上常布置哪些构件。二、几种飞机的基本数据表 1飞机型号重量Gro, kg升限H, m航程L, km翼展l, m机长m机高m机翼平面形状歼-56000160001560（带副油箱）9.611.363.8后掠歼-68824175002200（带副油箱）9.0414.64（带空速管）3.855后掠歼-77372187001530（带副油箱）7.1513.945（不含空速管）4.103三角形歼-8165802050022409.34421.52（带空速管）5.410三角形强-5113001650016309.6815.654.33后掠轰-52120012500240021.4516.7686.2平直运-1011000094712000640042.24242.93313.420后掠歼教-5110024840001000平直延安一号1400204430050013.559.06平直拉-93400645平直米格-9507091113500109.75平直U-287000.826000720024.615.24平直RF-1011.6515200323812.121.1平直零式2738564117401920119.23.55平直一、内容：1) 以歼-6机翼为主，辅以米格-9、U-2、运-10、轰-5、零式等飞机机翼。通过观察实物，了解机翼各典型元件（翼肋、长桁、蒙皮、梁、墙等）的构造、功用、相互之间的连接情况，以及几种机翼典型受力形式的结构特点。2) 对具体结构进行模型简化。了解简化模型的结构基础及简化原则。3) 先从机翼外段上一小块蒙皮着手，通过基本的传力分析，较为深入的掌握各典型元件在机翼受载（以分布气动载荷为主）时所起的作用。4) 机翼根部以及机翼机身连接接头的典型连接（含直机翼、后掠翼；整体机翼以及与机身在其侧边相连的机翼）各有哪些构造形式，如何合理简化，进行传力分析。二、几种典型的机翼结构形式1. 歼教-5（仿雅克18）：机翼、机身均为构架式。机翼为双梁（构架式），有48个翼肋。中翼骨架外为铝蒙皮，其他均为蒙布。2. 拉-9：典型的单梁式结构。有后墙、无长桁。翼肋有18个。蒙皮1.21.5mm。与机身用一固、一铰两个接头连接。3. 米格-9：典型的双梁式结构。强梁，弱长桁。受力盒段上翼面有4根长桁，下翼面有3根。根部区有开口，收置起落架和油箱。与机身用两个固接接头相连4. AT6：典型的单块式结构。长桁密，桁距小，上翼面23根，下翼面17根；有前、后墙。肋13个。左、右机翼在机身对称轴处用周缘一圈小螺栓（水平放置）连接成整机翼，螺栓上翼面48个，下翼面54个。5. 轰5（仿伊尔-28）：典型的单块式结构，前、后墙（弱梁），强长桁。主受力盒段中除前、后墙的缘条（剖面与长桁相当）外，上翼面有长桁15根、下翼面有10根。肋31个。在中央翼两端有设计分离面，中、外翼的上、下翼面分别用水平大螺栓和垂直放置的螺栓，腹板间用较小的螺栓以周缘连接形式连成整体。中央翼上有4个角盒形受剪接头（相当于铰接接头）在机身23框、27框处与机身相连。6. 零式：单块式结构，以波纹板代替长桁。中央翼、外翼用周缘几个大螺栓连接。7. 歼-5（仿米格17）：单梁单块式结构。外段有前梁、后墙、长桁。根部增加主梁、横梁，与前梁、根肋一起构成梁架式后掠翼根部结构。翼肋为25个，外有金属受力蒙皮。机翼、机身在13框（与主梁）、9框（与前梁）由一固、一铰两个接头相连。另有一小横梁在11框处有一辅助接头（铰接）。8. U-2：机翼的几何参数为：翼展l=24.6m，=10.56，=4，。单块式薄蒙皮结构，有纵横构件构成的上下承力壁板、前长桁、前后纵墙等主要承力构件。桁距小、长桁强，肋距大，薄蒙皮（）。从前缘到前墙间，桁条数为上14、下9，前、后纵墙间为上5，下3。前缘翼肋为43个，前长桁后墙之间的中段肋30个，前长桁在15% b处，前墙在47.5% b处，后墙在64.5% b处。机翼、机身靠6对接头在30、31、32、33、34、35框处连接。机翼整体油箱贮油75%。前油箱：前缘前墙，1肋27前肋；后油箱：前墙后墙，1肋15中肋。一、 内容a) 仔细观察歼-7实物，了解歼-7中机翼主要构件的数量、布置及其相互连接关系。进一步结合三角翼的气动、结构特点及歼-7的内部布置等原始条件，分析为什么采用这样的结构形式和构件布置（含加强构件）。从中掌握飞机结构形式及构件布置的设计原则和设计思路。b) 通过歼-6、歼-7、RF-101全动平尾和各类襟、副翼等结构实物了解操纵面的设计特点包括重量平衡、结构缺口补偿、气动补偿与气动平衡等。二、几种机翼结构详介：1. 歼-6机翼1) 外形参数 ，2) 构造i) 外段：单梁单块式，有后墙。上、下各9根长桁。机翼共有翼肋30个。根部：13肋之内加主梁和纵梁，它们与前梁、后墙、13肋组成梁架式承力结构。ii) 各梁材料以及与其它构件间连接关系：主梁：30CrMnSiA高强合金钢整体模锻件。前梁：LC4高强铝合金模压件。后墙：LC4Z（根部）和LY12硬铝（外段）制成。纵梁：LC4Z和LY12制成。连接关系：主梁-前梁为铰接；主梁-纵梁为固接；主梁-后墙、13肋为弱固。前梁-纵梁、13肋为弱固。后墙-13肋为铰接，与机身不连接。与机身连接：主梁在15框处与机身固接；前梁在9框处与机身铰接。3) 力的分配13肋之外：弯矩，其中，占54.3%；，占45.7%。此外剪力Q=20900kg，扭矩Mt=1896kgm（抬头）。过13肋后，因加主梁，刚心前移，且传力路线改变。为此Mt增至11856kgm（低头）。13肋处剪力Q全由主梁承受并传往机身。前、后梁上的弯矩均以双点梁形式承受并传递。到与机身对接处，总弯矩M=68350kgm全部由主梁接头传给机身。总剪力Q=34600kg。扭矩Mt的分配：Mt前盒段占24%；中盒段占76%，其中主前纵三角架承受68%，由13肋转成一对力形式承受32%。注意：固接：两构件的缘条、腹板均直接相连，连接处可传弯、剪，图上用和 示意。铰接：两构件只有腹板有连接，缘条不连，只能传剪力，图示 。弱固：两构件腹板连接，但缘条只通过搭接板或加强蒙皮间接连接，能传剪，但只能传较小的力矩，图示 。思考题：1. 如果前梁、主梁均为固支，传力路线有何不同？2. 如果前梁、后墙与机身固接，而主梁不固接，则又有何不同？3. 歼-6上为何没有侧边加强翼肋，而在机身上加侧加强板，且置于主梁接头之后？4. 13肋的作用？5. 评价歼-6机翼受力构件布置的合理性与不足之处。2. 歼-7机翼1) 外形参数 l=7.15m =2.25 =12.9 =57 =4.2根5尖%。内部布置与主要受力构件布置见实物与教材P.195P.196。2) 构造情况外段为单块式。后盒段在6肋之内增加了主梁和隔板梁，到根部逐渐转为多梁、双墙式结构。在机身侧边有三个固接接头和两个铰接接头与机身相连。几个纵向主要受力构件的材料以及与机身连接的简化模型如下：前墙：LY12（硬铝）。与机身13框用一个垂直螺栓（8）相连，为铰接。前梁：根部为LC4模锻件，其他段为30CrMnSiA板材。与机身16框用2个垂直螺栓（222）和一个水平螺栓（30）相连，为固接。主梁：30CrMnSiA模锻件。与机身22框用两个垂直螺栓（230）相连，为固接。注意：主梁腹板与后整体油箱的前隔板分别为2个构件。隔板梁：它也是后整体油箱的后隔板，材料为LC4。与机身25框用一个垂直螺栓（18）相连，为固接。以上均采用耳片接头（见实物和教材P.262）。后墙：30CrMnSiA板材。与1肋后段（襟翼滑轨）相连。而襟翼滑轨再与28框用一齿板式接头（可上下微调）以螺栓（12）相连，为铰接。3) 结构受力情况i) 弯矩分配：外段：61%M由上下壁板承受，其他由前梁、前墙和后墙承受。ii) 进入6肋后，因加了主梁、隔板梁，（后盒段/前盒段）的弯曲刚度比增为1.8，扭转刚度比为1.7。前盒段在13前肋处，壁板承受弯矩的50%，前梁约50%。后盒段在2肋处，主梁承受弯矩的63%，隔板梁承受5%，其余由壁板承受。前盒段自13前肋向内逐渐进入参与区。后盒段中主梁与隔板梁之间的壁板、隔板梁与后墙之间的壁板分别自2肋与4肋向内也逐渐进入参与区（见教材P.79）。iii) 到与机身对接处，通过参与，主梁承受机翼总弯矩的78%，隔板梁受3%，前梁受19%。具体的接头处支反弯矩和支反力的数值见教材P.200。3. 运10机翼1) 外形参数：机翼：l=42.242m =7.31 =33.5 =13.0根10尖% =3.28。机长=42.933m。2) 机翼的构造与受力： 机翼为双梁单块式结构，梁弱，壁板强（壁板中蒙皮较长桁承受的力多）。每侧共有翼肋33个，其中32、33肋是发动机吊挂需要的顺气流肋。受力构件布置见教材P.188。每侧有4个整体油箱，中央翼内有5个z向辅助梁，内有六个软油箱。 外侧机翼：长桁数从机身侧边到外段从上34、下27过渡到上13、下9；中央翼盒段：长桁数为上27，下19。如以承受弯矩的面积进行比较：取A为梁凸缘面积，B为蒙皮面积、C为长桁面积，D为壁板总面积（A+B+C），E为前梁凸缘面积，则可知运-10波音-707轰-6A/D0.09根0.06510肋0.07090.0580.2530.138B/D0.520.620.6070.5290.6320.567C/D0.390.3150.3220.4120.1150.295E/A0.250.450.2540.4040.1980.469C/B0.550.7机翼、机身连接：主要由上下、左右四个空心销在31框（60mm）和42框（95mm）处相连，可传y、z向力（见教材P.75、P.266），为铰接。中央翼上翼面与地板之间有5根纵梁（x向）与机身（地轨梁）相连；其下翼面与机身龙骨梁相连，传递x向的力。3) 疲劳设计考虑运-10的设计寿命为30000小时，11162个起落。为此采取了很多措施，以下只取其中几点。i) 受拉区采用耐疲劳较好的材料。如梁的下凸缘、下蒙皮均为LY-12。而上缘条、上蒙皮均取LC4，ii) 控制应力水平和合理选择安全系数。如受充气压的框=2.52.0，如同时为开口段端框=3.0。iii) 对壁板进行有效的弦向分块，并加止裂缝（下翼面）。iv) 采用分散受力或多重元件。如外翼和中央翼梁腹板的连接处中间加一对接垫板过渡；31框（前梁与机身的对接框）在框中部横梁（也是地板横梁）与下框缘间加立柱（见教材P.154）。v) 采用有利的受力形式。例如采用水平放置的空心销，以其受剪的形式向机身传递机翼载荷。vi) 便于检查维修，设置多个检查、维修口盖，并注意结构补强措施（见教材P.188、P.275和实物）vii) 声疲劳区（发动机引起）用胶接结构和夹层结构。例子还有很多，同学们可自行观看实物，进行分析。4. 轰5平尾1) 外形参数l平=7.36m， =33 =1011%。 左右两半尾翼，包括位于机身内的中央翼盒段，均为后掠。2) 构造 双梁单块式。在主要受力的中盒段中，上、下各有三根较强的长桁。每侧有20个翼肋，翼肋为围框式，与教材P.211的图5.32（d）比较相似。左右两半尾翼在中央翼盒段（无前、后缘）部分不转折，直接在机身对称面上对接成一整体。在对称面（xoy）处布置有一相当强的中央翼肋。平尾在左右侧边翼肋处有前后、左右共4个接头与机身相连。接头为耳片垂直放置的耳片接头，相当于4个铰接接头。3) 受力 此处只介绍平尾的对称载荷如何传给机身。 在对称载荷作用下，扭矩Mt由AB、CD肋转成一对方向相反的垂直力，与前、后梁腹板上的剪力Q一起传给A、B、C、D四处的机翼-机身对接接头，不再传经中央翼盒段。弯矩引起的作用在纵向构件（长桁、梁缘条）上的轴力，将在机身对称面处分成两个分量。z向分量由左、右机翼自相平衡；x向分量以一个个小集中力形式作用在中央翼肋上、下缘条上形成力矩，该力矩由中央翼肋EF通过中央翼的左右盒段受扭向外倒传到机身侧边，再分别由AB肋、CD肋各转成一对垂直力传给A、B、C、D处的对接接头。这种结构形式须有相当强的中央翼肋。传力过程见下图。轰-5平尾弯矩的传递一、内容a) 通过歼-7、轰-5、运-10等结构实物了解机身结构及增压舱的结构设计特点和球面框的设计。b) 观察歼-7（前机身上、下大开口）、轰-5（单闭室机身中段大开口）、运-10（双闭室机身中段大开口）机身上大开口附近的机身结构。了解它们各自的结构和补强特点，并了解采用如此设计的原因。二、几种机身结构详介：5. 歼-7机身的内部布置、构造与受力机身总共有41个框，其中5个为辅助框。1) 前机身：2-11框内部布置：1-6框之间上部为设备舱，下部为前起落架舱；6-11框之间上部为驾驶员增压座舱，下部为设备舱。上下表面均为大开口，有不受力口盖。构造：桁梁式结构。桁梁有4根，W形剖面。蒙皮厚=11.5mm。进气道外蒙皮局部为=3.5mm的整体壁板，系因唇口外形要求。因它与框不连，故不参与总体受力。总体受力：各种集中力和分布力转成总体力后，分别由以下构件承受：Qy：进气道内蒙皮受； Qz：驾驶舱地板受； Nx：桁梁受。Mz，My：四根桁梁承受。Mx（扭矩）： 由进气道的两内侧壁以开剖面形式承受。所有总体力向后传向中机身。2) 中机身：11-28框内部布置：多个软油箱舱（共有6个软油箱）；发动机舱（2028框），其上表面有检查口盖。13、16、22、25、28框两侧有机翼的5个对接接头。28框为前、后机身的设计分离面。中机身段开口不多也不大，且大多有受力口盖（可受剪，但不能受轴力）。构造：此段机身的结构形式不典型，且多有变化。较接近硬壳式结构，蒙皮较厚，上部为2.52mm，下部为2.51.5mm。四根大梁未断，但转弱，且有转折。基本无长桁，或长桁不连续。另2228框段的上部有发动机推力短梁，下部发动机检查口盖处有形梁加强。总体受力：此段机身有机翼和发动机传来的力，载荷大，结构比较复杂，结构形式或布置多有变化，有参与问题。如大梁转折处会给框一个附加分力（见教材P.245）。扭矩（Mx）利用软油箱舱隔板等构成的多个形状不一的小闭室承受。另设计分离面处有轴力（后机身传来）的集中、分散问题。3) 后机身：28A框36框。其中有五个辅助框（28A、31A、32A、33A、35A）。连接关系：34、36框分别为垂尾主接头和后墙对接框，35A和36框为平尾转轴支承框。构造：典型的桁条式机身。另平尾支点附近另有8根辅助短梁用以承受和扩散x向的集中力。总体受力：典型桁条式机身受力。并通过28A框周缘一圈螺栓将后机身的总体力传向中机身（见教材P