飞机结构设计(第1章 绪论)2014

1、飞机结构设计飞机结构设计 主讲教师：赵刚要主讲教师：赵刚要 2 一、授课课时安排一、授课课时安排 授课内容授课内容课时课时 第一章、第一章、绪绪 论论 4 4 第二章、飞机的外载荷第二章、飞机的外载荷6 6 第三章、现代飞机设计基础第三章、现代飞机设计基础1010 第四章、机翼、尾翼设计第四章、机翼、尾翼设计1212 第五章、机身结构设计第五章、机身结构设计8 8 飞机结构设计飞机结构设计 3 第一章第一章 绪绪 论论 第一章第一章 绪绪 论论 1909年冯如 第一章第一章 绪绪 论论 第一章第一章 绪绪 论论 飞机的发展历程： 1903莱特兄 弟制造的飞机 二战以前：活塞发动机 特性：高度、

2、速度、机 动、火力 第一代：高亚音速或低 超音速范 围， 武器和电 子设 备较简单 代 表： F-86和 Mig15 第二代：飞机的武器和 电子设备 有所 加强 代 表： F-4和Mig21 第一章第一章 绪绪 论论 飞机的发展历程： 第三代：高亚音速或低 超音速范 围， 武器和电 子设 备较简单 代 表： F-16和 Mig29ol 飞机的发展历程： 第一章第一章 绪绪 论论 第四代： 发动机在不开加 力时具有超音速 巡航的能力； 良好的隐身性能； 高敏捷性和机动 性特别是过失速 机动能力； 短距起落性能； 目视格斗、超视 距攻击和对地攻 击的能力； 高可靠性和维护 性； 代 表： F-22

3、 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 飞机的研制过程 一、飞机的功用与对飞机的要求 1.功用：有效的战斗武器（空战、拦截、攻击、侦察、 预警、运输） 空中运输设备（载荷、运货、农林、赈灾、救 护、勘察、运动） 2.要求：技、战术性能指标能满足所需完成的任务。 第一章第一章 绪绪 论论 飞机的最大速度；升限；航程/最大作战半径；起、 降滑跑距离；载重；机动性指标（加力性能，盘 旋半径，爬升性能，最大允许过载系数）；隐身； 维护与保障性能；使用寿命；可靠性与安全性能。 第一章第一章 绪绪 论论 1）军用飞机的技、战术要求：）军用飞机的技、战术要求： 军机的技、战术要求（例） 第一章第一章 绪绪 论论

4、 最大起飞重量：19277 Kg 最大使用过载：7G（持续） / 10G 瞬时 最大飞行速度：2.0Ma 最大载弹量：7000 Kg 作战半径：1600Km 最大航程：3000Km 最大升限：18000m J10 战机 军机的技、战术要求（例） 第一章第一章 绪绪 论论 最大起飞重量：27216 Kg 最大使用过载：9G（眼镜蛇 机动） 最大飞行速度：1.8Ma 最大载弹量：7000 Kg 作战半径：2170Km 超音速巡航：1.5Ma 实用升限：18000m F22 战机 隐身技术、超音速巡航、过失速机动、推隐身技术、超音速巡航、过失速机动、推 力矢量控制、近距离起落和良好的维修性力矢量控制

5、、近距离起落和良好的维修性 军用运输机的技、战术要求（例） 第一章第一章 绪绪 论论 最大起飞重量：265352 Kg 巡航速度：0.77Ma （8535m） 最大载量：77292 Kg 最大航程：4630Km C-17 空中霸王 低空巡航速度：648Km/h 大型、隐身技术、超音速大型、隐身技术、超音速 2）民用飞机使用技术要求：）民用飞机使用技术要求： 有效载重；航程；安全性、可靠性、维修性、 经济性。 第一章第一章 绪绪 论论 大型、超音速、大航程大型、超音速、大航程 最大起飞重量：560000 Kg 巡航速度：0.89Ma 最大载量：90800 Kg 最大航程：15100Km A380

6、 升限：13100m 3 3、飞机工作的最大特性：、飞机工作的最大特性： 反复、长期使用。 第一章第一章 绪绪 论论 二、飞机的研制过程 第一章第一章 绪绪 论论 l4个阶段 技术性能论证与制定过程 飞机设计过程 飞机的试飞、定型过程 飞机制造过程 总体设计 结构设计 详细设计 初步设计 1. 技术性能论证与制定（顶层设计）过程 依据： 军事战略方针及战术（战略防御）要求； 商务策略，工、农业生产，赈灾救护等要求； 制定： 主要性能指标； 主要使用条件； 机载设备等。 效能分析、 费效分析 第一章第一章 绪绪 论论 2.飞机设计过程 (1) 总体设计： 气动外形布局设计；飞行力学性能设计； 机

7、载设备（包括燃油）布置等重量分布设计； 发动机选型设计；结构总体尺寸设计。 (2) 结构设计： 理论设计（打样设计）； 强度、刚度设计； 细节设计； 工程绘图。 第一章第一章 绪绪 论论 第一章第一章 绪绪 论论 结构设计的任务： 型号设计技术要求 飞机三面图 总体布置图 外形图 使用方法 规定的 环境情况 载荷情况 结构设计基本要求 第一章第一章 绪绪 论论 合乎使用要求 强度、刚度、疲劳、 损伤容限品质合格 工艺性好 满足重量 机体结构 为试制和批生产提供全套的图样和技术文件 应当注意设计阶段的规律： 反复、循环、迭代、反馈；综合性、权衡性 第一章第一章 绪绪 论论 3. 飞机制造过程 设

8、计图纸 技术资料 工艺设计机械加工 部件/全机装配 0批次 24架 全机强度、疲劳和损伤容限的验证和试飞 4. 飞机的试飞、定型过程 地面滑跑试验；起、降性能试验； 飞行包线中各飞行科目试飞试验； 第一章第一章 绪绪 论论 有待结构的静力及疲劳试验完成后， 没问题才定型 定型： 三、飞机研制过程概述 1、设计的内涵： 创造性的思维过程； 全面综合的辨证过程(矛盾分析、抓主要矛盾) 设计的不唯一性； 设计的反复性； 设计的继承性； 设计与科学实验的关系。 第一章第一章 绪绪 论论 2、飞机设计的主要阶段： 总体设计阶段； 飞机结构的打样设计： 结构受力形式选择、受力构件布置、开口布置、 分离面及

9、其连接形式设计。 飞机结构的详细设计 结构件连接设计、细节设计、工程制图。 第一章第一章 绪绪 论论 新机研制中结构设计的一般过程 1）总体研制方案论证 2）初步设计 3）详细设计 4）试制与试验 5）试飞与设计定型 6）小批生产与生产定型 7）批量生产 第一章第一章 绪绪 论论 1.2 飞机结构设计的原始条件和设计简介 第一章第一章 绪绪 论论 一、“结构” 与机构设计的含义： “结构” 能承受和传递载荷的系统即：受力结构 由几个到几十个零件结合在一起构成 相互之间没有相对运动 能承受指定的外载荷 一定的强度、刚度、寿命、可靠性等 二、飞机结构设计的原始条件 l使用方提出的战技要求或使用技术

10、要求 l飞机三面图及理论外形图 l飞机总体布置图 l重量指标分配及总重量 l使用寿命要求 l载荷和使用环境条件 l维修性要求 l生产条件和工艺性要求 l其它有关设计准则、规范和标准 第一章第一章 绪绪 论论 （1）结构设计的主要依据： 1）飞机结构的外载特征以及对结构承载的要求 l外载的形式(集中的、分布的、冲击型的、周期型、热 的等)； l外载的历程特征(不同的飞行，载荷的变化规律)； l外载对结构的作用效应（抖振、颤振）； l结构承载的强度、刚度(静、动、热、整体的、局部的) 要求； l结构寿命要求；损伤容限要求； 经济性要求(生产/维修成本)。 第一章第一章 绪绪 论论 （2）原始条件

11、l各部件的相对位置以及相互间连接交点的位置（不 能改动）； l零、构件之间在连接尺寸上的协调关系； l各构件间或构件与内部装载间的位置、形状协调； l部件或组件结构的外边界一般与飞机的理论外形相 协调； l其内部边界可能需与某个内部装载协调，也可能不 需协调。 第一章第一章 绪绪 论论 2）飞机结构的协调关系 环境条件： 指气象条件或周围介质条件（温度、湿度、腐 蚀、 有害介质等）。 起降场所条件： 水、陆两栖；陆地：水泥、土跑道。 维修条件： 外场维修；场站或基地维修。 第一章第一章 绪绪 论论 3）结构的使用条件 工艺条件（热加工、冷加工、少量或批量，加工 精度与性能的保障性）； 加工能力

12、（小量或大批量，加工精度与加工性能）； 装配能力（装配精度、装配量大小）； 生产能力（产量）； 生产质量保障体系（技术与管理）。 第一章第一章 绪绪 论论 4）生产条件 三、结构设计过程 l静强度设计准则 l刚度设计准则 l热强度设计准则 l疲劳、耐久性设计准则 l损伤容限设计准则 l气动弹性设计准则 l动强度设计准则 第一章第一章 绪绪 论论 1）必须遵循的设计准则 2）设计过程 第一章第一章 绪绪 论论 进行初步估算，或结合经验，或参考原准机，或 根据以上的综合，初步定出各结构的基本尺寸； 然后进行结构优化设计和结构方案的进一步比 较，最后确定基本尺寸 了解结构的使用条件、生产条件，以及总

13、体设计 已基本确定的结构外形尺寸、主要部件初步确定 的结构型式和各种协调关系； 通过计算和试验，确定外载荷的大小、分布、性 质； 进行部件的打样设计。确定结构布局的可能方案 （包括结构型式和受力构件布置），进行比较，选 定后初步确定内部协调与装配关系。 画出结构详细打样图，并进行细节设计 第一章第一章 绪绪 论论 对结构进行强度计算，对关键部件进行初步疲劳、 耐久性和损伤容限分析。（不满足则需修改设计） 进行零构件的详细设计，绘制全套生产图纸和编制 相应的技术文件 根据设计之初所选定的结构设计准则，进行全机疲 劳寿命和损伤容限分析；或进行损伤容限、耐耐久 性分析，并确定全机的经济寿命。进行可靠

14、性分析， 给出结构使用寿命和检查周期。 根据全机静力、疲劳（或耐久性）和损伤容限试验 及试制、试飞中发现的问题对设计作必要的修改 第一章第一章 绪绪 论论 近代飞机结构追求的目标： 高结构效率（重量轻） 高可靠性 高寿命 高维修性和低寿命费用 实现高的效费比 具体讲结构设计应贯彻下列要求： 1.3 飞机结构设计的基本要求 一、基本要求 2.结构完整性及最小重量要求 1.空气动力要求和设计一体化要求 3.使用维修要求 4.工艺要求 5.经济性要求 第一章第一章 绪绪 论论 二、基本要求概述（约束条件，边界条件） 第一章第一章 绪绪 论论 保证构造外形满足总体 设计规定的外形准确度 1.空气动力要

15、求和设计一体化要求 空气动力要求 不容许机翼、尾翼与机身构造有 过大变形保证飞机具有良好 的气动升力和阻力特性及具有良 好的稳定性和操纵性 第一章第一章 绪绪 论论 隐身结构一体 化 1.空气动力要求和设计一体化要求 设计一体化 翼身融合技术 飞机发动机一体化 飞控火控结构一体 化 第一章第一章 绪绪 论论 2.结构完整性及最小重量要求 是指关系到飞机安全使用、使用费用和 功能的机体结构的强度、刚度、损伤容 限及耐久性（或疲劳安全寿命）等飞机 所要求的结构特性的总称 结构完整性： 具有足够的强度，不产生不能容许的残余 变形 具有足够的刚度，或采取其他措施以避免 出现不能容许的气动弹性问题与振动

16、问题 具有足够的寿命和损伤容限，以及高的可 靠性 结构在承受各种规定的载荷和环境条件 第一章第一章 绪绪 论论 结构的重量尽可能轻 最小重量要求 第一章第一章 绪绪 论论 3.使用维修要求 提高飞机在使用中的安全可 靠性和保障性 目的有效地降低保障、使用成本 军机：保证飞机及时处于临 战状态，提高战略完好性 合理地布置分离面及各种开口 结构内部安排必要性的检查维修通 道，增加结构的开敞性和可达性 第一章第一章 绪绪 论论 4.工艺要求 良好的工艺性 加工 装配合理精度 性能 前提 5.经济性要求 飞机成本构成 设计 制造 研制 运营 80%的成本在早期的设计阶段已经决定 生产费用与使用费用、保

17、障费用约占 全寿命费用的85%左右 对军机而言，成本不应当是第一要求，重量与性 能是第一位的。 对民用客机，成本是第一要求。 第一章第一章 绪绪 论论 技术要求与技术性能是互相联系、互相制约的， 有的甚至是相互矛盾的，应当在一个好的设计素质基 础上，把握主要矛盾，综合考虑，权衡处理。 一般说，气动性能、使用要求是“前提性”要求， 气动外形、结构与强、刚度设计技术是“前提”技术。 三、飞机结构设计思想的演变发展五个阶段 第一章第一章 绪绪 论论 2.静强度和刚度设计阶段 1.静强度设计阶段 3.强度、刚度、疲劳安全寿命设计阶段 4.强度、刚度、损伤容限和耐久性（经济寿命）设计阶段 5.结构可靠性

18、设计试用阶段 三、飞机结构设计思想的演变发展四个阶段 1、静强度设计阶段 静强度设计可追溯到18世纪伽利略时代，材料 力学是伽利略时代破坏力学思维的延伸。 上个世纪2030年代，飞机业的发展形成了系统的 设计原则。飞机结构设计的静强度设计准则是一种 极限载荷（破坏载荷即极限承载能力）设计准则， 即： 第一章第一章 绪绪 论论 ed PfP du PP d 或 设计载荷 d P 使用载荷 e P 极限载荷 u P安全系数f 第一章第一章 绪绪 论论 设计载荷=使用载荷安全系数， 破坏载荷应大于等于结构设计载荷： 2、静、动强度设计阶段 动强度设计问题是结构（特别是薄壁结构）受到冲击 干扰后，激励

19、振动导致的结构破坏问题（或称气动弹性问 题），可导致翼面振动发散、操纵面反效等问题。 设计准则可表现为： 第一章第一章 绪绪 论论 3、 静、动强度，疲劳安全寿命设计阶段 50年代，飞机业受二战的刺激，得到了迅速发展，但 发生了始料未及的破坏现象，疲劳破坏。现代也发现噪音等 环境也能引起疲劳破坏，当时飞机发展的几点特征： 飞机的使用寿命延长了； 飞机的技、战术性能提高了； 高强度材料的采用； 飞机结构强度储备下降； 工业技术提高了生产率。 第一章第一章 绪绪 论论 上述设计准则主要依靠试验来保证，我国当前的一些飞机关键 结构件仍依此设计。 现代军机的使用寿命要求60008000飞行小时，民机 3000060000飞行小时。 fexsae nNNN/ 使用寿命 e N 安全寿命 sa N试验寿命 ex N ）分散系数（一般取 4 f n 第一章第一章 绪绪 论论 经历挫折与失败后，设计师们发现需提出安全寿命要求 4、静、动强度，使用寿命，损伤容限和耐久性（包括 经济寿命）设计阶段 安全使用寿命设计并不能绝对保证安全。发现破坏后的 断口，疲劳裂纹已经很长了，于是提出破损安