航空器机体结构

南京航空航天大学航空宇航学院,航空航天概论,a.飞机结构设计概要b.飞机机体结构组成,航空器的基本组成部分都是：1机体结构2推进装置3机载设备等,飞机结构设计概要,飞行器结构设计的基本要求飞行器机体结构的主要材料,飞行器机体设计的基本要求,气动要求重量要求使用维护要求工艺性要求,气动外形,表面质量,气动弹性发散：前掠翼的翼尖位于机翼根部之前，在气动载荷作用下，翼尖相对翼根产生的扭转变形，使翼尖的局部迎角增大，迎角增大又引起气动载荷的进一步增加。这种恶性循环的发展将使机翼结构破坏。,在满足强度、刚度和寿命的条件下，结构质量尽可能轻,飞行器机体设计的基本要求,气动要求重量要求使用维护要求工艺性要求,使用、检查、维护和修理方便,飞行器机体设计的基本要求,气动要求重量要求使用维护要求工艺性要求,便于生产加工、成本低,木质材料,金属材料,复合材料,容克斯的第一架全金属客机F13（1919）,钛合金约39%复合材料约25%铝合金约16%钢约6%其它约14%,钛合金约15%复合材料约50%铝合金约20%钢约10%其它约5%,2007.11.2,飞行器机体结构的主要材料,1.铝合金,2.镁合金,3.合金钢,4.钛合金,5.复合材料,比强度=抗拉强度/密度,比刚度=弹性模量/密度,波音787,飞机机体结构组成及特点,大多采用薄壁结构尺寸大而刚度小零件数量多，装配工作量大,飞机构造特点,飞机机体结构组成,机翼,机翼是飞机最主要的部件之一，其主要功用是产生升力。同时机翼内部可以用来装置油箱和设备等；在机翼上还安装有改善起降性能的增升装置和用于飞机侧向操纵的副翼；很多飞机的起落架和动力装置也固定在机翼上。,机翼受力情况,机翼的主承力部件,翼梁是最强有力的纵向构件，承受全部或大部分的弯矩和剪力。翼梁由缘条、腹板和支柱等组成，剖面多为工字型。翼梁固支在机身上。,纵墙与翼梁的区别在于其缘条很弱通常不与机身相连接。纵墙通常布置在机翼的前后缘处，与机翼的上下蒙皮相连，形成封闭的盒段以承受扭矩。,桁条用铝合金型材或板弯件制成，铆接在蒙皮内表面，支撑蒙皮，将气动载荷传给翼肋。,桁条,翼肋形成并维持翼剖面之形状；并将纵向骨架与蒙皮连成一体；把由蒙皮和桁条传来的空气动力载荷传递给翼梁。如果是加强翼肋，则还要承受和传递集中载荷。,蒙皮通常用硬铝板材制成，用铆钉或粘接剂固定于纵横向骨架上，形成光滑的表面，从而维持气动外形。此外，蒙皮承受气动载荷，并承受部分扭矩、弯矩和剪力。,机翼破坏试验,受力件与维形件完全分工并分段承受载荷。构架式机翼的受力骨架是由翼梁、张线、横支柱等组成的空间骨架系统，它承受所有的弯矩、剪力和扭矩；其蒙皮是用亚麻布制成，只起维形作用，不参与受力。,梁式机翼,机翼的结构形式,梁式机翼的特点是布置有强有力的翼梁、较少且较弱的桁条并采用较薄的硬质蒙皮，常用金属铆接结构，为现今飞机所广泛采用。,纵向骨架：翼梁、纵樯、桁条横向骨架：翼肋,梁式机翼,机翼的结构形式,单块式机翼的特点是蒙皮较厚，桁条较多也较强，翼梁的缘条很弱，甚至没有翼梁而只有纵樯。,单块式机翼,机翼的结构形式,将蒙皮和纵、横向骨架合并成上下两块整体壁板，之后用铆接或螺栓连接。这种机翼强度大，刚性好；表面光滑，气动外形好；零件数目少，装配容易。,装载乘员和货物；安置各种系统设备；连接机翼和尾翼等部件；有的还固定动力装置和起落架。,机身,构架式机身桁梁式机身桁条式机身硬壳式大型民用客机的机身结构,机身,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。,桁梁式薄壁结构机身的受力构件包括桁梁、桁条、隔框（普通框、加强框）、蒙皮和接头。桁梁式机身的特点是布置有剖面较大的桁梁、桁条较少且较弱、蒙皮较薄。,桁条式机身的受力构件包括桁条、隔框（普通框、加强框）、蒙皮和接头。其特点是蒙皮较厚，桁条较多也较强。,如果机身蒙皮进一步加厚，直至完全代替桁梁和桁条，使整个机身仅由蒙皮和隔框构成，则成为硬壳式机身。硬壳式机身不便于开口，在飞机上应用较少。,大型民用客机的机身结构大多是以桁条式为基础，增加承载能力很强的地板结构。地板结构一般包括隔框、地板横梁、纵梁（龙骨梁）以及地板块。机身空间因此被地板分为上、下两部分。,纵梁,横梁,大型民用客机机身一般分为：,机鼻,机身前段,机身中段,机身后段,尾锥,尾翼的主要功用是保证飞机的纵向和航向的平衡，并使飞机在纵向和方向上具有必要的稳定性和操纵性。,尾翼,水平尾翼：水平安定面+升降舵垂直尾翼：垂直安定面+方向舵,（纵向）,（航向）,操纵面（用于控制飞机飞行状态的舵面）,主操纵面：方向舵升降舵副翼辅助操纵面：增升装置、扰流片、减速板等,飞机具有三个主操纵面，即升降舵、方向舵和副翼。通过操纵这三个主操纵面的偏转，就可以实现对飞机的俯仰、方向和横侧姿态的控制。,主操纵面,副翼主操纵面的构造通常为由梁、肋、蒙皮、接头以及后缘型材组成的无桁条单梁式。,副翼的构造,升降舵安装在水平安定面的后缘，由驾驶员推、拉驾驶杆盘进行操纵，以供飞机作俯仰运动之用。,方向舵位于垂直安定面的后缘，由驾驶员踩动脚蹬控制，以供飞机作偏航运动之用。,辅助操纵面的作用主要是为了改善飞机的某一方面的性能。现代飞机上的辅助操纵面主要包括：,增升装置扰流片减速板调整片,辅助操纵面,增升装置的主要功用是在起飞降落时增加机翼的升力，从而降低飞机的离地和接地速度，缩短起飞和降落滑跑距离。,辅助操纵面之增升装置,目前所使用的增升装置的增升原理主要有三类：,增大翼型弯度；增大机翼面积；控制机翼上的附面层，推迟气流的不利分离。,增升装置的主要种类,襟翼前缘缝翼前缘襟翼和克鲁格襟翼附面层控制,一般的襟翼位于机翼后缘，靠近机身，在副翼的内侧。襟翼放下时，既增大机翼的升力，同时也增大飞机的阻力。,增升装置的主要种类-襟翼,简单襟翼分裂襟翼开缝襟翼后退襟翼复合襟翼,增升装置的主要种类-襟翼,简单襟翼的形状与副翼相似，用铰链连接于机翼后缘，其构造比较简单，不偏转时形成机翼后缘的一部分。,分裂襟翼（也称开裂襟翼）象一块薄板，用铰链安装于机翼后缘下表面并成为机翼的一部分。,开缝襟翼是在简单襟翼的基础上改进而成的，当开缝襟翼放下时，其前缘与机翼之间形成一条缝隙。,后退襟翼工作时，既向下偏转同时又沿滑轨向后移动，也即既增大翼型弯度又增加机翼面积。,复合襟翼由后退襟翼和开缝襟翼合并设计而成，其增升效果更好，为现代飞机所广泛采用，但其结构相应地也更复杂。,前缘缝翼是安装在机翼前缘的一段或几段狭长的小翼面，当前缘缝翼打开时，它与基本机翼前缘表面形成一道缝隙，前缘缝翼的作用相当于附面层控制。通常，前缘缝翼在大迎角，特别是接近或超过基本机翼临界迎角时才使用。,增升装置的主要种类-前缘缝翼,前缘襟翼就是可偏转的机翼前缘。在大迎角下，前缘襟翼向下偏转，使前缘与来流之间的角度减小，气流沿上翼面的流动比较光滑，避免发生局部气流分离，同时也增大了翼型的弯度。前缘襟翼与襟翼配合使用可进一步提高增升效果。,增升装置的主要种类-前缘襟翼,克鲁格襟翼的作用与前缘襟翼相同。它一般位于机翼根部的前缘，靠作动筒收放。打开时，伸向机翼前下方，既增加机翼面积，又增加翼型弯度，具有较好的增升效果，但其结构相当复杂，故实际应用的不多。,打开位置,闭合位置,收放作动筒,机翼前缘,增升装置的主要种类-克鲁格襟翼,附面层控制系统的增升作用主要是利用发动机引气吹除或利用泵吸取机翼上的附面层，以防止气流分离。附面层控制的增升效果比一般的增升装置的效果要大得多。,增升装置的主要种类-附面层控制系统,扰流片会扰乱流经机翼上表面的气流，使得气流速度降低、涡流增加，从而导致机翼上的升力下降、阻力增加。目前大型飞机的扰流片大多是安装在机翼上表面襟翼之前的可偏转小片。,辅助操纵面之扰流片,辅助操纵面之减速板,调整片的主要功用是抵消飞行中由各种原因引起的不平衡力，使飞机保持一定的飞行姿态（平飞、上升或下降）。,辅助操纵面之调整片/配平片,起落架,起落架是供飞机在起降滑跑、地面滑行、停放和移动时支持飞机重量、承受相应载荷、吸收和消耗着陆时的撞击能量的装置。,承受飞机在地面停放、滑行、起飞着陆时的重力；承受、吸收并消耗飞机在着陆以及在地面运动时的撞击和颠簸能量；起飞和着陆滑跑、地面滑行和移动时飞机在地面上的运动任务；滑跑和滑行以及地面停放时的制动；,起落架的主要作用,起落架的主要组成部分,通常起落架由承力结构(支柱等)、带充气轮胎的机轮、减震器、刹车及转弯操纵机构、减摆器、收放机构等装置组成。,对于在雪地和冰面上起降的飞机，起落架的机轮用滑橇取代之；在水面上起降的水上飞机，起落架则用浮筒代替或直接采用按水面滑行要求设计的特殊机身。,起落架的配置型式（轮式）,后三点式起落架前三点式起落架多支柱式起落架自行车式起落架,起落架的配置型式指的是飞机在地面上支持点的数目及其相对于机身重心的位置。常见的配置型式有：,后三点式起落架,后三点式起落架的两个(组)主轮位于飞机重心之前且靠近重心，尾轮则位于飞机的尾部。后三点式起落架主要适用于机身前部装有活塞式发动机的轻型、低速飞机上。,安装空间容易保证；尾轮受力较小，因而结构简单，重量较小；地面滑跑时迎角较大，降落时阻力较大；,后三点式起落架,对着陆技术要求高，容易发生“跳跃”现象；大速度滑跑时，不允许强烈制动；地面滑跑时的方向稳定性较差；驾驶员视界不佳。,前三点式起落架的两个(组)主轮位于飞机重心之后，前轮则位于飞机的头部。前三点式起落架是现代飞机应用最广泛起落架配置型式。,前三点式起落架,着陆简单且安全可靠,不易产生“跳跃”现象；具有良好的方向稳定性；侧风着陆较安全；允许强烈制动，着陆滑跑距离较短；驾驶员视界较好，发动机喷气对跑道影响较小。前起落架受力较大且构造复杂；高速滑跑时，前起落架会产生摆震现象；,前三点式起落架,多支柱式起落架与前三点式起落架类似，但不同的是其有多个主起落架支柱，一般用于重型飞机上。显然，采用多支柱、多机轮可以减小起落架对跑道的压力，增加起飞着陆的安全性。,多支柱式起落架,自行车式起落架的两个(主)主轮纵向排列在飞机重心的前后，且在两侧机翼下设置辅助轮。自行车式起落架主要用于因机