飞机结构—第二章-飞机的外载荷与设计规范PPT课件

飞机结构,第二章飞机的外载荷与设计规范,第二章飞机的外载荷与设计规范,本章主要内容飞机结构的主要载荷典型飞行姿态和载荷系数复杂载荷情况飞机设计规范与民航适航标准,第二章飞机的外载荷与设计规范1飞机结构的主要载荷,1飞机结构的主要载荷,1.飞机的外载荷飞行、起飞、着陆、地面停机等过程中，作用在飞机上的气动力、重力和地面反力等外力的总称。外载荷的大小取决于飞机的重量、飞行性能、外形的气动力特性、起落架的减震特性以及使用情况等许多因素。分为两类：1）飞行时的外载荷2）起飞、着陆时的外载荷,第二章飞机的外载荷与设计规范1飞机结构的主要载荷,飞机飞行载荷,第二章飞机的外载荷与设计规范1飞机结构的主要载荷,飞机飞行载荷,第二章飞机的外载荷与设计规范1飞机结构的主要载荷,等速直线平飞时的受载情况,YG，TX,第二章飞机的外载荷与设计规范1飞机结构的主要载荷,俯冲后拉起时的受载情况,第二章飞机的外载荷与设计规范1飞机结构的主要载荷,飞机地面载荷,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,2典型飞行姿态和载荷系数,1.定义：除重力外，作用在飞机上的某方向上所有外力之合力与当时飞机重量之比值。也称过载系数（过载）矢量，符号n。x向：nx=(T-X)/G，小于T/G(现代飞机T/G最大值1.2-1.4)z向：nz=Z/G，一般较小y向：飞机升力同重力的比值ny=Y/G,（一）载荷系数,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,2.物理意义：用倍数的概念来表示飞机实际外力同重力之间的关系，是一个相对值。表示飞机质量力与重力的比率。,（一）载荷系数,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,3.实用意义：1）载荷系数确定，结合有关飞行参数，可以确定飞机结构上的各部分实际载荷的大小及方向，便于我们对飞机结构的强度、刚度等指标进行设计校验；2）飞机机动性的重要指标，通过载荷系数可以了解飞机的机动性能。,（一）载荷系数,过载表、过载曲线（P27）,1-弹簧；2-重块；3-指针；4-阻尼器,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,（二）典型飞行姿态的载荷系数,1.等速直线平飞,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,（二）典型飞行姿态的载荷系数,飞机速度的大小和方向改变，航迹为曲线。垂直平面内：a进入俯冲b垂直俯冲c俯冲后拉起水平平面内：水平等速转弯/盘旋,曲线飞行（机动飞行）,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,（二）典型飞行姿态的载荷系数,2.进入俯冲,（视V和r的不同情况，ny可能为负，为正，或零）,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,例1如图所示，飞机进行俯冲，已知此时=45，r=1000m，测得飞机的ny=0，求此时飞机的飞行速度。,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,例1如图所示，飞机进行俯冲，已知此时=45，r=1000m，测得飞机的ny=0，求此时飞机的飞行速度。,解：,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,（二）典型飞行姿态的载荷系数,3.垂直俯冲,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,（二）典型飞行姿态的载荷系数,4.俯冲后拉起,结论：若飞机的速度V，航迹的曲率半径r一定，则=0(最低处)时过载最大；若飞机的姿态、位置一定，则速度V越大，半径r越小，机动性越好，猛烈拉起），过载越大（飞机受力越严重）。,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,例2：（P26）如图所示，飞机俯冲后拉起。求：（1）当V=1000km/h，r=1000m，=45、30、0时的过载ny各为多少？（2）如果最大允许过载系数nymax=8，在同样的拉起速度下，允许的拉起圆弧半径r为多大,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,解：（1）,（2）,例2：（书P26）如图所示，飞机俯冲后拉起。求：（1）当V=1000km/h，r=1000m，=45、30、0时的过载ny各为多少？（2）如果最大允许过载系数nymax=8，在同样的拉起速度下，允许的拉起圆弧半径r为多大,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,（二）典型飞行姿态的载荷系数,5.等速水平盘旋(重要机动性能指标),坡度：（盘旋倾斜角）,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,（二）典型飞行姿态的载荷系数,6.突风载荷,突风：方向、大小变化的不稳定气流突风载荷：因突风引起的、飞机受到的附加气动力（飞机可能迅速改变高度）水平突风/航向突风：（逆风或顺风），只改变相对速度的大小垂直突风：（向上或向下）改变相对速度的大小、方向，导致迎角变化侧向突风：使飞机侧滑，主要作用在垂尾上产生附加气动力。垂直突风是各向突风中最严重的情况,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,（二）典型飞行姿态的载荷系数,垂直向上突风情况,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,（二）典型飞行姿态的载荷系数,垂直向上突风情况,过载（升力）一样时，K越小，飞行速度V0可以更大，可快速通过强突风区；飞行速度V0一样时，K越小，过载ny可更小，可提高乘客舒适感和飞行安全性。,垂直突风衰减系数K,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,（三）考虑飞机转动时的载荷系数,1.飞机转动时的载荷系数,式中：Yw机翼升力Yte平尾平衡载荷Ytm平尾机动载荷,1)y向载荷nyt,2)绕重心旋转载荷nyr,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,例3飞机在平衡飞行中作跃升机动。已知x1=4m，x2=6m，La=5m，az=3rad/s2，Iz=10000Nms2，求x1和x2处绕重心旋转载荷系数nyz及平尾机动载荷Ytm。（书P31）,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,例3飞机在平衡飞行中作跃升机动。已知x1=4m，x2=6m，La=5m，az=3rad/s2，Iz=10000Nms2，求x1和x2处绕重心旋转载荷系数nyz及平尾机动载荷Ytm。,解：,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,（三）考虑飞机转动时的载荷系数,2.装载或设备作用在飞机结构上的质量力,2.装载或设备作用在飞机结构上的质量力注意：对于飞机上较长的装载物，如发动机、油箱、导弹等，不能简单地当作一个质点，否则会带来较大误差。绕飞机重心的质量惯性矩应按下式计算：Iz0Gi是某个长装载物绕自身转动的质量惯性矩：该长装载物的重心处会出现一个集中的惯性力矩Mz0Gi，在计算支持结构的内力时应当计入：,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,（三）考虑飞机转动时的载荷系数,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,（四）着陆时的载荷系数,着陆撞击:减速度着陆时,飞机y向速度在较短时间内降为零着陆过载:起落架的实际着陆载荷与停机载荷之比,战斗机:ny=3-4客机:ny2,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,（四）着陆时的载荷系数,注意：这里的过载定义与空中飞行情况不同。当空中匀速直线飞行时，ny1表示Y/G=1地面滑行或停止状态下，以升力来定义已无意义。这两种情况下ny1，但飞机结构的承载方式却完全不同，匀速平飞是一种分布载荷作用，而着陆主要是以集中力形式作用与于起落架上，通过起落架传到机身。工程上，常称平飞1g（g以重力为单位），和停机的1g,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,（五）飞机设计时最大载荷系数的选取,1.影响最大载荷系数选取的因素:载荷系数实际反映了飞机的机动性能，从这个意义上来说越大越好，但对客机或运输机来说没有多大必要；载荷系数又反映了对结构的载荷作用，载荷系数越大，表明飞机结构的承载越大，要有足够的刚、强度，则结构重量越大；载荷系数的载荷作用，不仅对结构有作用，而且对机载设备和乘员有载荷作用，载荷系数越大，对其影响越大，要视其承受能力而定。,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,（五）飞机设计时最大载荷系数的选取,1.影响最大载荷系数选取的因素:飞行时的载荷系数（除突风干扰外），一般来自发动机的推力，载荷系数大，剩余推力要大，动力装置要增重。载荷系数的大小应根据飞机的类型、用途来适当确定，不是越大越好。,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,（五）飞机设计时最大载荷系数的选取,2人对过载的反应:,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,3.提高人抗过载能力的措施1）抗过载服系统长时间的正过载作用中特别有效，可分为管式抗荷服和囊式抗荷服管式抗荷服基本结构是使用拉伸系数小的材料制成的紧身裤，裤子的两侧，有二个可充气的侧管，此管充气膨胀时，导压带将衣服面拉紧对肢体加压，此类抗荷服较为复杂。,（五）飞机设计时最大载荷系数的选取,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,囊式抗荷服,（五）飞机设计时最大载荷系数的选取,第二章飞机的外载荷与设计规范2典型飞行姿态和载荷系数,2）高过载座舱内的座椅研究结果表明与坐姿体位相比，后倾45时，超重耐力稍有提高，77时提高2.5G，85时提高3.5G。,（五）飞机设计时最大载荷系数的选取,第二章飞机的外载荷与设计规范3复杂载荷情况,3复杂载荷情况,飞机的载荷,第二章飞机的外载荷与设计规范3复杂载荷情况,飞机长期使用-所受载荷多次重复-形成疲劳载荷这种作用会导致结构的疲劳破坏1.类型：1）突风载荷：大气紊流的作用，是民机、运输机的重要疲劳载荷。危害性取决于大气紊流的强度以及作用的次数统计；（书P34）2）机动载荷：飞机机动（变速）飞行中升力变化载荷，是军机的主要疲劳载荷，取决于机动飞行的种类,飞行次数等；,（一）疲劳载荷,第二章飞机的外载荷与设计规范3复杂载荷情况,类型：3）增压载荷：气密压舱一个飞行起落中，压力的变化，增压载荷的变化规律，作用次数等统计；4）着陆撞击载荷：一个起落一次撞击，撞击载荷的强度；5）地面滑行载荷：指地面滑行飞机颠簸所受到的载荷，与飞机跑道的质量、飞机的重量等有关；6）发动机动力装置的热反复载荷；7）地-空-地循环载荷：飞行地面滑行时的载荷变化到空中飞行的载荷；8）其他：机翼尾流对尾翼的周期性作用。(书P34),（一）疲劳载荷,第二章飞机的外载荷与设计规范3复杂载荷情况,2.载荷谱：飞机在使用过程中结构承受载荷随时间的变化历程。3.危害：影响设备工作；对人员造成不适；结构疲劳导致缺陷生长成裂纹并不断发展，最终导致断裂疲劳载荷是飞机设计中最重要的考虑因素，是定寿的基本依据。尤其远程运输机尤其客机（座舱疲劳载荷、舒适性要求防振隔振等),（一）疲劳载荷,第二章飞机的外载荷与设计规范3复杂载荷情况,外热源：太阳辐照、气动加热内热源：设备发热危害：材料强度、刚度降低；附加的热变形和热应力；频繁出现时还会产生疲劳破坏。,（二）热载荷,第二章飞机的外载荷与设计规范3复杂载荷情况,（二）热载荷,材料强度、刚度降低,材料特性受温度影响情况,第二章飞机的外载荷与设计规范3复杂载荷情况,（二）热载荷,飞机表面驻点温度TMa曲线,第二章飞机的外载荷与设计规范3复杂载荷情况,应对措施：选用热强度高、线膨胀系数低的材料；在蒙皮上采用具有隔热性能的涂层和热包敷层（氧化铝、氧化锆、在加热时会挥发的烧蚀材料、石英纤维板、合成织物等），热强金属面板，带杆的夹层蒙皮等其他隔热芯层；利用流体强制冷却。,（二）热载荷,第二章飞机的外载荷与设计规范3复杂载荷情况,应对措施：,（二）热载荷,第二章飞机的外载荷与设计规范3复杂载荷情况,（三）其他特殊情况载荷,非正常状态的载荷：空中：维持飞行地面：减少人员伤害,第二章飞机的外载荷与设计规范3复杂载荷情况,（三）其他特殊情况载荷,2.鸟撞载荷：易被撞的飞机部位:飞机结构、发动机的进气道措施:设计规范、规定研究鸟的活动规律进气道安装铁丝网采用抗撞材料,1鸟炮2试验机,2km以下最大飞行速度飞行时风档承受1.8kg鸟撞,第二章飞机的外载荷与设计规范3复杂载荷情况,（三）其他特殊情况载荷,3.冰雹载荷：结冰：结冰部位防冰除冰下冰雹：考虑承受冰雹撞击的能力（不能严重损伤飞机、发动机不能出现危险、考虑冰雹密度、撞击速度、一块冰雹多次撞击等）4.噪音（声振）载荷：动力装置噪音气动力噪音武器发射噪音5.瞬时响应载荷：核爆、起飞助推、外挂投放弹射等,第二章飞机的外载荷与设计规范3复杂载荷情况,（四）环境谱的编制,环境谱：环境强度随时间的变化，即环境时间历程。功用：描述飞机所遭受的化学、湿热和气候环境，飞机机构在实际使用时受这些环境的侵袭，会降低工程材料的疲劳性能，减少飞机结构的使用寿命。考虑重复载荷和使用环境的联合作用进行飞机抗疲劳、断裂设计：耐久性设计,第二章飞机的外载荷与设计规范3复杂载荷情况,（四）环境谱的编制,环境谱的编制步骤：确定飞机使用环境种类（根据飞机的特定用途和使用方法）根据战、技术要求或使用要求，确定飞机在不同地域服役时间。根据使用任务剖面（规定了任务类型、有效负载、飞行时间和该任务的使用百分比），确定各任务段的时间比例及地面停放时间比例；获取环境数据；编制各类环境谱。,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适航标准,4飞机设计规范与民航适航标准,（一）飞机设计规范,定义1）对飞机设计和研制给出全面要求的指令/指导性技术文件，是飞机设计员的工作依据。2）政府与权威研究机构组织制定，也可与设计主管部门共同制定。3）设计规范不是统一的，而是针对不同的飞机类型制定不同的设计规范，因为飞机的任务与技战术要求不同。4）设计规范与设计手册是飞机设计人员的基本工具。,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适航标准,（一）飞机设计规范,2.形成与演变在飞机设计实践过程中逐步形成。例如：军用飞机设计经历的发展阶段：静强度设计、刚度设计、疲劳设计、安全寿命加损伤容限设计、耐久性加损伤容限设计。我国颁布的有关文件：军用飞机强度规范、军用飞机疲劳、损伤容限、耐久性设计手册、飞机设计员手册、航空气动力手册、民用航空适航性条例等等。,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适航标准,（一）飞机设计规范,3.基本内容1)规定了设计情况2)规定了飞机分类3)规定了设计重量的取法4)规定了飞行包线5)使用载荷（限制载荷）、设计载荷（极限载荷）与安全系数6)规定了刚度指标7)规定了应进行的各种试验及其要求,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适航标准,（一）飞机设计规范,1)规定了设计情况设计情况：从各种可能出现的使用情况中，总结归纳出的一些具有代表性的最严重的情况。（使飞机结构易遭到破坏、人员设备易受损伤的载荷情况）目的：简化设计工作。,内容：最大的正向和反向载荷情况对主要结构件将产生危险损坏的载荷情况对飞行战术技术性能将产生严重影响的载荷情况对人员将产生损伤的载荷情况总载不大，但载荷作用的具体情况特殊，影响严重，也应作为设计情况考虑,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适航标准,（一）飞机设计规范,2)规定了飞机的分类按用途：（如我国军机）歼击机、强击机、歼击教练机、多用途机、教练机、轻型轰炸机、轰炸机、轻型运输机、大型运输机。按机动性要求：机动/甲类飞机：(一类飞机)如歼击机、歼击轰炸机、战术侦察机、战斗教练机等（-38）部分机动/乙类飞机：(二类飞机)如战术轰炸机、远程侦察机、多用途飞机等（-24）非机动/丙类飞机：(三类飞机)如战略轰炸机、运输机、战斗保证飞机（预警机、加油机、无线电干扰机、空中指挥机）（-13）,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适航标准,（一）飞机设计规范,3)规定了设计重量的取法最小飞行重量:空机重5%燃油5%燃油相应滑油重量最少乘员；最大设计重量:携带最大机内及机外装载；基本飞行设计重量:空机重50燃油基本武器重量乘员、滑油、氧气重量；着陆设计重量:最大设计重量50燃油；,4)规定了飞行包线飞行包线:飞机载荷系数(ny)当量速度(vdl)速压q：(衡量气动载荷的大小)当量速度(vdl)：强度计算中，通常将各高度上的飞行速度v按速压相等原则折算成海平面的飞行速度。v：真空速，飞机相对于周围无扰动的大气速度H：高度H处空气密度；0：海平面处空气密度,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适航标准,（一）飞机设计规范,受机动性、强度及人体条件的限制，规定了nmax、nmin。最大允许当量速度(或最大允许速压qmax,max)的限制。曲线OA：曲线OE：,飞行包线的意义：为在包线内和包线上的任一飞行状态提供一个可接受的强度水平。,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适航标准,（一）飞机设计规范,对称机动飞行包线,某飞机典型包线图及相应飞行状态,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适航标准,（一）飞机设计规范,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适航标准,（一）飞机设计规范,其他规定：非对称设计情况(如滚转和滚转改出的机动)；起飞、着陆设计情况(如对称着陆、偏航着陆、单个主起落架着陆等)；突风包线。,5)使用载荷、设计载荷与安全系数使用载荷:飞机使用中实际可能遇到的最大载荷，也称限制载荷。结构必须能承受限制载荷而不发生有害的永久变形。设计载荷：为了保证一定的安全裕度，飞机结构通常按能承受而不破坏的高于限制载荷的载荷进行设计，该载荷也称极限载荷。设计载荷与使用载荷的关系：Pe(ne)：使用载荷(系数)；Pe(nd):设计载荷(系数)f：安全系数,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适航标准,（一）飞机设计规范,飞机结构特点：复杂、超静定、多传力通道；多使用铝合金等弹塑性材料。按结构的破坏载荷（而非单个元件的强度极限）设计可充分发挥结构承载能力。,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适航标准,（一）飞机设计规范,6)规定了刚度指标规定了各操纵面的有效性指标、各种翼面的许可挠度值和扭角值。保证飞机的空气动力外形、稳定性、操纵性及抗振要求。7)规定了应进行的各种试验及其要求静力、动力和热试验，耐久性和疲劳寿命试验，地面操作试验；动力装置试验，各系统、设备试验，武器使用、空中加油、弹射救生、应急迫降等特殊试验及空中格斗试验等。规定了各种试验所应记录的数据，应分析的项目，应提供的报告及提供的日期期限等。规定了损伤容限、使用寿命、可靠性要求、结构完整性要求等。,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适航标准,（一）飞机设计规范,1适航管理条例飞机在进行运输及其他航空作业时，须适应各种气象、地形、距离、载荷、飞行高度、空中交通规则程序等项要求，才能安全、及时和经济地运送旅客或完成其他飞行作业。为了保证飞行安全，飞机首先要具备相应的适航性能，为此世界各国民航当局对飞机的设计、生产、使用和维修等都制定了适航标准，规定或审定发证以及实施检查监督。适航:飞机要取证时,要证明设计是安全的,即要申请并取得设计型号合格证;在系列产品的生产中,与它的设计型号是一致的,即满足制造符合性;在维护修理之后,证明它与设计型号是一致的,即满足维修符合性。,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适航标准,（二）民用航空条例的适航标准,中国民航总局1987年6月1日颁布了“中华人民共和国航空器适航管理条例”CCAR-ChinaCivilAviationRegulations。适航管理的主要内容：（1）制定各类适航标准和审定监督规则；（2）民用航空器设计的型号合格审定；（3）民用航空器制造的生产许可审定；（4）民用航空器的适航检查；（5）民用航空器的持续适航管理。,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适航标准,（二）民用航空条例的适航标准,2适航标准是一类特殊的技术标准，它是为保证实现民用航空器的适航性而制定的最低安全标准。适航标准是通过长期工作经验的积累，吸取了历次飞行事故的教训，经过必要的验证或论证不断修订完善而形成的，它具有法规性质和强制性要求。只有满足适航标准所规定的这些要求后，才能被认为适合航行而被批准放飞、载客营业。,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适航标准,（二）民用航空条例的适航标准,2适航标准,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适航标准,（二）民用航空条例的适航标准,适航标准的内容对飞行性能、操稳特性；飞行载荷、地面载荷、操纵系统载荷、应急着陆情况等都作了详细规定；对飞机结构、操纵面、操纵系统、起落架及各种设施（载人和装货设施、应急设施、通风和加温、增压设施、防火设施等）的设计与构造要求；对动力装置的燃油系统、滑油系统、冷却、进气系统、排气系统、动力装置的防火等提出了具体指标及要求；对设备，包括仪表安装、电气系统和设备、警告装置，安全设备的规定，并提出使用限制要求。,第二章飞机的外载荷与设计规范4飞机设计规范与民航适