飞机结构与系统第四章-飞机机身结构

第四章飞机机身结构,本章内容机身结构的设计要求机身外载荷机身结构组成机身典型结构型式机身与其它部件的连接机身开口区结构,机身结构设计要求,一、机身功用,安置空勤组人员、旅客、装载燃油、武器、设备和货物；将机翼、尾翼、起落架及发动机连接在一起，形成一架完整的飞机。,机身结构设计要求,二、结构设计要求,需满足众多使用要求（最主要）；总体协调性要好，这样有利于飞机减重；保证结构完整性前提下的最小重量要求；合理使用机身的有效容积，保证飞机性能；气动力要求主要是减小阻力；装载多，本身结构复杂，故对开敞性（便于维修）要求更高；良好的工艺性、经济性要求；,机身外载荷,1.外载类型1）装载加给机身的力装载引起的质量力（集中、分布）机身结构的质量力（分布）质量力大小与载荷系数成正比（沿机身轴线各处载荷系数大小方向可能不同）,机身外载荷,1.外载类型2）其他部件传来的力主要指飞行或起飞、着陆滑跑过程中，机翼、尾翼或起落架上传来的力。若发动机安装在机身上，还有发动机推力和陀螺效应产生的集中力。,飞机两点接地时机身的载荷,机身外载荷,1.外载类型2）其他部件传来的力主要指飞行或起飞、着陆滑跑过程中，机翼、尾翼或起落架上传来的力。若发动机安装在机身上，还有发动机推力和陀螺效应产生的集中力。,作用在机身上的不对称载荷,M扭=YcM扭=Ph水平尾翼不对称载荷垂尾侧向水平载荷,机身外载荷,1.外载类型3）增压载荷（p255）大气压力和温度随飞行高度的增大而下降，超过2500m将使人无法正常工作，继续增大会使人不能生存。解决办法：座舱增压、加温。气密增压座舱，从发动机压气机引入并通过自动调节装置进入座舱。增压载荷：增压舱内的空气压力与周围大气空气压力之差。,各类飞机增压座舱分布,机身外载荷,3）增压载荷在机身增压舱部分基本自身平衡，对机身的总体内力影响很小。在机身增压舱结构内产生轴向正应力和机身横截面内的环向正应力，前后端框产生侧压力。对于旅客机而言，是重要的疲劳载荷。,机身外载荷,1.外载类型4）气动载荷只在机身局部区域（如机身头部和座舱盖等）局部载荷较大，对机身的总体内力基本没有什么影响。,机身外载荷,2.机身总体受力特点机身可看作支持在机翼上的双支点或多支点外伸梁。总体内力：两个平面内的弯矩、剪力和绕机身轴线的扭矩。受力和机翼相似，但对于机身垂直方向和水平方向的载荷基本为同一数量级。,机身垂直面内剪力图及弯矩图,机身结构组成,机身主要构件：蒙皮纵向骨架:长桁、桁梁横向骨架：隔框,机身结构组成,机身主要构件：蒙皮纵向骨架:长桁、桁梁横向骨架：隔框,机身结构组成,隔框1）分类普通框：维持机身的截面形状；对蒙皮和长桁起支撑作用。通常设计为环形框。加强框：普通框功能将装载的质量力和其他部件上的载荷经接头传到机身结构上的集中力加以扩散，以剪流形式传给蒙皮。机身大开口两端,机身结构组成,隔框2）布置歼击机框距：300mm左右；大型运输机框距：300500mm左右。框的总重占机身结构重量的20%27%。,机身结构组成,隔框3）构造型式环形刚框腹板框构架式框（很少采用）,机身结构组成,隔框3）构造型式环形刚框由内、外缘条，框缘腹板，腹板上的小支柱构成。整体框：模锻毛胚或厚板加工而成。,环形整体式加强框,1，6上下框段；2框缘连接接头；3，4机翼机身对接耳片接头及其加强筋；5，6两侧框段；8小支柱,机身结构组成,隔框3）构造型式环形刚框组合式刚框：型材、薄板经铆接组合而成。内外缘条：弯矩和轴力；腹板：剪力支柱：将集中力扩散成腹板上剪流。,机身结构组成,隔框3）构造型式腹板框相当于平面板杆结构。加强型材的作用：将集中力扩散成剪流传给腹板；提高腹板的剪切稳定性；受侧压时与腹板一起承弯；无侧压时只受轴力。,机身结构组成,长桁与桁梁1）功用：长桁：承受和传递机身弯矩引起的轴力；与蒙皮组成承力壁板；承受部分作用在蒙皮上的气动力并传给隔框。桁梁的截面积大于长桁，功用类似。2）构造型式简单式：从横剖面看只有一个结构元件；组合式：从横剖面看有几个结构元件。长桁多为简单式，桁梁有时采用组合式。,桁梁剖面,机身结构组成,机身蒙皮1）功用：构成机身气动外形，保持表面光滑，承受局部空气动力；承受xoy,xoz两个平面内的剪力和绕x轴扭矩；和长桁一起组成壁板承受两个平面内弯矩引起的轴力；气密增压座舱部位的蒙皮还要承受环向和轴向的张应力。,机身结构组成,机身蒙皮2）材料及布置：蒙皮材料（p242）一般采用铝合金，如LY12，2024-T4；Ma3的飞机，受热影响大的区域采用钛合金或不锈钢。蒙皮厚度：载荷、工艺性、经济性要求的综合考虑,机身结构组成,机身骨架元件与蒙皮之间的连接纵、横构件交叉时，一般弱的让强的；蒙皮可以只与桁条相连，也可以与桁条、隔框都相连。1）普通框、长桁、蒙皮间的连接,机身结构组成,机身骨架元件与蒙皮之间的连接2）加强框、长桁、蒙皮间的连接,机身结构组成,地板结构结构组成：横梁纵梁地板块横梁：截面通常为槽形或工字形。纵梁：数目与座椅滑轨相对应（往往做成同一构件）。,机身结构组成,地板结构横梁与纵梁的连接：地板块结构：上下面板、轻质芯材、边条。,机身典型结构型式,1桁梁式：结构特点：有若干桁梁(如四根)，桁梁强；长桁少且弱，甚至可以不连续；蒙皮薄。受力特点：机身弯曲引起的轴向力主要由桁梁承担；剪力由蒙皮承担。在桁梁间可布置大开口而不会显著影响机身抗弯强度和刚度。,机身典型结构型式,2桁条式：结构特点：无桁梁；长桁密且强；蒙皮较厚。受力特点：机身弯曲引起的轴向力主要由桁条和较厚蒙皮组成的壁板承担；剪力由蒙皮承担。不宜大开口，抗弯、扭刚度大；蒙皮局部变形小，有利于改善气动性能。,机身典型结构型式,典型受力型式3）硬壳式：结构特点：无桁梁，无桁条；蒙皮厚，与少数隔框组成机身。受力特点：机身总体弯、剪、扭引起的全部轴力和剪力由厚蒙皮承担；隔框用于维持机身截面形状，支持蒙皮、承担框平面内的集中力。不宜大开口，机身实际应用很少，只适于局部气动载荷较大，要求蒙皮局部刚度大的部位，如机头、尾锥等。,机身与其它部件的连接,一、机翼(尾翼)机身对接,机翼机身对接形式,机身与其它部件的连接,一、机翼(尾翼)机身对接,机翼连接于机身两侧1）接头数量,机身与其它部件的连接,一、机翼(尾翼)机身对接,机翼连接于机身两侧2）对接框,机身与其它部件的连接,一、机翼(尾翼)机身对接,机翼连接于机身两侧3）接头型式,机身与其它部件的连接,一、机翼(尾翼)机身对接,中央翼通过机身1）机翼、机身框各自独立,机身与其它部件的连接,一、机翼(尾翼)机身对接,中央翼通过机身2）中央翼梁与机身对接框为整体结构主要目的是减轻重量。,机身与其它部件的连接,一、机翼(尾翼)机身对接,尾翼与机身对接尾翼与机身的连接，机翼与机身的连接，两者没有根本区别。,机身与其它部件的连接,二、起落架与机身的连接,前起落架（前三点布置）均连接在机身上，主起落架一般布置在机翼上居多，当机翼较高时也可布置在机身上。起落架通常固定在机身加强框和纵梁上。,机身与其它部件的连接,二、起落架与机身的连接,前起落架（前三点布置）均连接在机身上，主起落架一般布置在机翼上居多，当机翼较高时也可布置在机身上。起落架通常固定在机身加强框和纵梁上。,机身与其它部件的连接,三、机身设计分离面处的对接,某些飞机在机身布置可拆卸的设计分离面，将机身分成前后两段，便于对发动机等进行检查维修。,通常采用沿对接框四周均布对接螺栓：,机身与其它部件的连接,四、发动机在机身上的安装,1.机身内发动机的安装一般置于机身内的机身后段，要求：安装方便；避免机身变形对发动机的影响；允许发动机轴向、径向的热膨胀。,机身与其它部件的连接,四、发动机在机身上的安装,1.机身内发动机的安装另一种典型的发动机安装形式。,机身与其它部件的连接,四、发动机在机身上的安装,2.机身外挂发动机的安装,机身开口区结构,一、开口与口盖的分类,开口的分类通常按尺寸分为：大开口、中开口和小开口。（大小是相对于开口所在部件的基准尺寸而言）2.口盖的分类按使用特性：快卸口盖一般口盖,机身开口区结构,一、开口与口盖的分类,2.口盖的分类(2)按受力特性：口盖的受力特性及开口区加强与基体结构的受力特性有关。开口的基体结构：开口附近的原结构。可分为：不受力基体结构：不参与整体受力，如：机身头部处蒙皮。受剪基体结构：只承受剪流，不承受轴向力，如：薄蒙皮强梁(桁)结构的蒙皮。受轴向力基体结构。能承受剪流，也能承受轴向力，如壁板。（开口将切断其长桁或厚蒙皮）,机身开口区结构,一、开口与口盖的分类,2.口盖的分类(2)按受力特性：不受力口盖只承受口盖上局部气动载荷。并传给基体结构。受剪口盖受轴向力口盖传剪加强轴向力加强,机身开口区结构,一、开口与口盖的分类,3.飞机上的典型开口、口盖布置,机身开口区结构,二、开口补强,小开口结构补强小开口在机体内部，一般没有口盖；在蒙皮上，则大多为不受力口盖。1）小开口去掉受剪板时的补强（无口盖）开口尽量设计成圆形，降低应力集中系数；口框加强。口框：绕开口周围布置一圈截面具有抗弯能力的加强结构，类似刚框。法兰盘式口框组合式口框,机身开口区结构,二、开口补强,小开口结构补强2）蒙皮同时承受剪应力和正应力（有口盖）合理选择开口形状和相对于正应力作用方向的位置；当有很多小开口时，应尽量排在同一轴线上；在正应力方向布置加强筋。,机身开口区结构,二、开口补强,中开口结构补强开口周围布置井字型排列的纵、横型材（含很强的口框），和外侧的纵横型材组成一圈围框。,机身开口区结构,二、开口补强,中开口结构补强开口周围布置一块加强垫板，与周围框缘条和长桁共同形成围框。,机身开口区结构,二、开口补强,大开口结构补强单闭室盒段上有大开口在开口两端布置加强框(全腹板)；开口段