飞机结构—第一章 绪论

1、飞机结构刘 晖将军路校区11502室Telmail：L飞机的基本组成飞机的基本组成 1. 1. 飞机结构飞机结构： 机体：机身（装载、连接） 机翼（产生升力） 尾翼（使飞机具有操纵性与稳定性） 起落架（起飞、着陆、滑跑） 发动机（产生推力） 2. 2. 操纵系统操纵系统 （保证操纵性与稳定性） 3. 3. 机载设备等机载设备等 航电、机电系统（保证飞机可靠控制与飞行安全）飞机结构飞机结构飞机的基本组成飞机的基本组成 1. 1. 飞机结构飞机结构： 机体：机身（装载、连接） 机翼（产生升力） 尾翼（使飞机具有操纵性与稳定性） 起落架（起飞、着陆、滑跑） 发动机（产生推力

2、） 2. 2. 操纵系统操纵系统 （保证操纵性与稳定性） 3. 3. 机载设备等机载设备等 航电、机电系统（保证飞机可靠控制与飞行安全）主要教学内容主要教学内容 第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 第二章第二章 飞机的外载荷与设计规范飞机的外载荷与设计规范 第三章第三章 翼面结构分析翼面结构分析 第四章第四章 机身结构分析机身结构分析 第五章第五章 飞机结构材料飞机结构材料 第六章第六章 起落架起落架 飞机结构参考文献参考文献1. 陶梅贞，现代飞机结构综合设计，西北工业大学出版社，陶梅贞，现代飞机结构综合设计，西北工业大学出版社，20012. 王志瑾等，飞机结构设计，国

3、防工业出版社，王志瑾等，飞机结构设计，国防工业出版社，200720073. 3.冯元生，飞机结构设计，国防工业出版社，冯元生，飞机结构设计，国防工业出版社，198519854. 4.王宝忠等，飞机设计手册结构设计，航空工业出版社，王宝忠等，飞机设计手册结构设计，航空工业出版社，200020005. 5.高泽迥等，飞机设计手册起飞着陆系统设计，航空工业出版社，高泽迥等，飞机设计手册起飞着陆系统设计，航空工业出版社，20002000飞机结构考核方式考核方式 1.平时成绩平时成绩 30 2.考试成绩考试成绩 70飞机结构飞机结构第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述第一章第一章

4、绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 本章内容：本章内容： 1. 1.飞机的分类飞机的分类 2. 2.飞机的研制飞机的研制 3. 3.飞机结构设计的基本要求和设计方法飞机结构设计的基本要求和设计方法 第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类1 飞机的分类飞机的分类世界上第一架成功的飞机世界上第一架成功的飞机“飞行者飞行者”1号号第一次有动力、载人、持续、可操纵、重于空气的飞行器成功飞行第一次有动力、载人、持续、可操纵、重于空气的飞行器成功飞行 第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类1. 1. 军用

5、飞机军用飞机1 1）功能：）功能： 完成空中拦击、侦察、轰炸、攻击、预警、反潜、电子干扰、军事运输、空降等任务。2 2）种类：）种类： 歼击机、侦察机、轰炸机、攻击机、预警机、反潜机、电子干扰机、舰载机、运输机等。3 3）发展：）发展： 数量多、发展快、采用最新技术、标志一个国家空军或者国防的实力。 活塞式 喷气式 ：历经五代机的发展。 一、按功能分类一、按功能分类 军用飞机和民用飞机军用飞机和民用飞机 开始服役年开始服役年代代主要特征主要特征典型机种典型机种一一4040年代末年代末大多后掠翼、高亚音速大多后掠翼、高亚音速美美F-86F-86、苏米格、苏米格-15-15二二5050年代初年代初

6、第一代超音速战机第一代超音速战机（最大（最大M=1.31.5M=1.31.5）美美F-100F-100、苏米格、苏米格-19-19三三5050年代末年代末7070年代初年代初三角翼、最大三角翼、最大M=2.0M=2.0、高速、高空高速、高空美美F-104F-104、F-4F-4苏米格苏米格-21-21、2323四四7070年代中年代中8080年代中年代中边条翼、前缘襟翼，翼身融合，电传操纵系边条翼、前缘襟翼，翼身融合，电传操纵系统，主动控制系统，机动性好，超视距作战统，主动控制系统，机动性好，超视距作战美美F-15F-15、1616米格米格-29-29、苏、苏-27-27、法幻、法幻影影-20

7、00 -2000 、( (歼歼10)10)五五9090年代末年代末 至今至今 隐身、复合材料较多、超音速巡航、隐身、复合材料较多、超音速巡航、 短距起短距起落、过失速机动、推力矢量控制等落、过失速机动、推力矢量控制等美美F-22F-22T50T50歼歼2020第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类1. 1. 军用飞机军用飞机3 3）发展）发展一、按功能分类一、按功能分类 军用飞机和民用飞机军用飞机和民用飞机 第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类一、按功能分类一、按功能分类 军用飞机和民用飞机军用飞机和

8、民用飞机 2. 2. 民用飞机民用飞机1 1） 航线飞机航线飞机/ /民用运输机民用运输机 （用于商业飞行的客机和货机）按功能分：按功能分： 客机 、 货机、客货两用机。按巡航速度：按巡航速度： 低亚（M6m）按客座数与航程：按客座数与航程： 见下表：见下表：第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类一、按功能分类一、按功能分类 军用飞机和民用飞机军用飞机和民用飞机 第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类一、按功能分类一、按功能分类 军用飞机和民用飞机军用飞机和民用飞机 2. 2. 民用飞机民用飞机波音-7

9、47-400属于：洲际（12970km）巨型（378吨、550座）高亚音速（900939km/h）涡扇式宽体（6.13m）客机第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类一、按功能分类一、按功能分类 军用飞机和民用飞机军用飞机和民用飞机 2. 2. 民用飞机民用飞机2 2） 通用航空飞机通用航空飞机 通用航空：通用航空： 是指使用民用航空器从事公共航空运输以外民用航空器从事公共航空运输以外的民用航空活动 ，包括从事工业、农业、林业、渔业和建筑业的作业飞行以及医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋检测、科学试验、教育培训、文化体育等方面的飞行活动。 第一章第一

10、章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类一、按功能分类一、按功能分类 军用飞机和民用飞机军用飞机和民用飞机 2. 2. 民用飞机民用飞机2 2） 通用航空飞机通用航空飞机可分为： 公务机公务机（商务飞机或行政机） 在行政事务中或商务活动中作为交通工具的小型飞机（许多公司拥有自己的公务机）。如AC500第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类一、按功能分类一、按功能分类 军用飞机和民用飞机军用飞机和民用飞机 2. 2. 民用飞机民用飞机2 2） 通用航空飞机通用航空飞机 农林飞机农林飞机： 直接为农业、林业、牧业、渔业

11、生产服务的飞机。如：N5B第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类一、按功能分类一、按功能分类 军用飞机和民用飞机军用飞机和民用飞机 2. 2. 民用飞机民用飞机2 2） 通用航空飞机通用航空飞机 其它飞机其它飞机： 用于抢险救灾、娱乐旅游、体育运动、空中摄影与测量、航空物理探矿等，如AD-100、200第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类一、按功能分类一、按功能分类 军用飞机和民用飞机军用飞机和民用飞机 2. 2. 民用飞机民用飞机3 3） 民用飞机的发展民用飞机的发展喷气式干线客机经历的五代发展喷气

12、式干线客机经历的五代发展 开始服役年代特点典型机种一50年代涡喷发动机，带后掠角机翼波音-707、DC-8、图-104二60年代低涵道比涡扇发动机波音-727、737、DC-9、图-154三70年代高涵道比涡扇发动机，双通道宽体波音-747、DC-10、A300四80年代超临界翼形、加大机翼展弦比、新铝合金（降低成本）波音-757、767、A-310、A-320（电传操纵）、图-204五90年代电传操纵，复合材料，液显波音-777、A330、A340第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类二、按构造型式分类二、按构造型式分类 第一章第一章 绪论：飞机

13、结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类1. 1. 垂直垂直/ /短距起落飞机短距起落飞机优点:不依赖机场，可象直升机起落也可象固定翼飞机有速度和攻击能力；发动机喷口方向可转。 “鹞”式战斗机:第一种 垂直起落飞机三、其他型式的飞机三、其他型式的飞机第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类2. 2. 无人机无人机优点优点: : 可执行危险性大的任务：军事上可用作靶机、用于侦察、诱惑、电子对抗、对地攻击等； 质量轻、尺寸小、成本低，故花费低； 民用上可用于大地测量、 气象观测、森林防火、人 工降雨等。原理：原理：自动程序控制或无线电

14、 遥控长空一号（靶机）三、其他型式的飞机三、其他型式的飞机第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类3. 3. 地效飞机地效飞机地面效应：地面效应： 当运动的飞行器贴近地面或水面飞行时，整个机体的上下压力差增大，升力会陡然增加，阻力减小，阻挡飞行器机翼下坠。这种可以使飞行器诱导阻力减小，同时能获得比空中飞行更高升阻比的物理现象，称为地面效应。 三、其他型式的飞机三、其他型式的飞机第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类3. 3. 地效飞机地效飞机优点优点: : 飞机下面的气流速度小，静压大，使升力增加，飞机的

15、升阻比提高，故所需功率减小，承载增加或航程增大，燃料仅为一般客机的1/5。中国的“天鹅”、“天翼” 、“信天翁”。三、其他型式的飞机三、其他型式的飞机天翼一号天翼一号第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类3. 3. 地效飞机地效飞机三、其他型式的飞机三、其他型式的飞机天使鸟天使鸟第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类4. 4. 太阳能飞机太阳能飞机原理： 白天吸收太阳能，通过太阳能电池将其转化为电能，部分电能带动电动机产生推力和供机载设备使用，部分输入电解池，将水电解成氧气和氢气储藏能量； 夜间将氢气和

16、氧气进行化学反应释放化学能转化成电能供飞机使用 。美国的“太阳神”三、其他型式的飞机三、其他型式的飞机第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 1 飞机的分类飞机的分类4. 4. 太阳能飞机太阳能飞机瑞士的“阳光动力” 世界首架载人 、昼夜飞行三、其他型式的飞机三、其他型式的飞机第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的研制2 飞机的研制飞机的研制飞机研制过程飞机研制过程： 1. 拟定技术要求 2. 飞机设计过程 3. 飞机制造过程 4. 飞机的试飞、定型过程第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的

17、研制一、拟定技术要求一、拟定技术要求 通常由飞机设计单位和订货单位协商共同制订。 决定飞机的主要性能指标、主要使用条件和机 载设备等。 是飞机设计的基本依据。第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的研制1. 1. 总体设计总体设计1 1）主要参数：）主要参数： 估算飞机总重（结构、推进系统、设备、燃油、有效载荷）、发动机推力、翼载荷；2）基本外形和尺寸：基本外形和尺寸： 机翼、尾翼、机身， 如上单翼、平直翼、鸭式布局等；3）初步部位安排：初步部位安排： 内部布置（油箱、各种仪表设备）及主要受力构件的安排与协调（机身大开口、起落架的位置）。二、飞机设计过程

18、二、飞机设计过程第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的研制2. 2. 结构设计结构设计1 1）结构）结构 本课程中，结构结构指：能承受和传递载荷的系统，即受力结构。 一架飞机的整个结构，包含：机翼、尾翼、机身、发动机短舱、起落架、操纵系统（机械操纵系统部分）及其他受力结构等部件或组件结构。 部件结构：部件结构：机翼、机身。 组件结构组件结构：组成部件的大段结构。 构件：构件：很少零件装配而成。 元件元件：零件或构件作为具有一定功用的基本单元。二、飞机设计过程二、飞机设计过程第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的

19、研制2. 2. 结构设计结构设计2 2）结构设计的含义）结构设计的含义 根据结构设计的原始条件和基本要求，提出方案及进行具体的部件和零构件设计，进行强度计算和必要的试验，最后绘出结构图纸，完成相应的技术文件，以使生产单位能根据这些图纸和技术文件进行生产。 二、飞机设计过程二、飞机设计过程第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的研制2. 2. 结构设计结构设计2 2）结构设计的含义）结构设计的含义 内涵： 创造性的思维过程； 全面综合的辩证过程（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。二、飞机设计过

20、程二、飞机设计过程第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的研制2. 2. 结构设计结构设计3 3）结构设计的原始条件）结构设计的原始条件 结构的外载以及对结构受力特性的要求； 外载的形式（集中的、分布的、冲击型、周期型、热 的等）； 外载的历程特征（不同的飞行，载荷的变化规律）； 外载对结构的作用效应（抖振、颤振）； 结构承载的强度、刚度要求（静、动、热、整体的、局 部的）； 结构寿命要求，损伤容限要求 。 二、飞机设计过程二、飞机设计过程第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的研制2. 2. 结构设计结构设计3

21、3）结构设计的原始条件）结构设计的原始条件 飞机结构的协调关系： 各部件的相对位置以及相互间连接交点的位置（不能改动）； 零、构件之间在连接尺寸上的协调关系； 各构件间或构件与内部装载间的位置、形状协调；部件或组件结构的外边界一般与飞机的理论外形相协调；其内部边界可能需与某个内部装载协调，也可能不需协调。二、飞机设计过程二、飞机设计过程第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的研制2. 2. 结构设计结构设计3 3）结构设计的原始条件）结构设计的原始条件 结构的使用条件，包括： 环境条件：飞机在飞行或停机时的气象条件或周围介质条 件； 起飞着陆场所：陆上飞

22、机、水上飞机、水陆两栖；不同的陆 上跑道类型（水泥，土） 维修条件和使用条件：维修周期和次数、维修能力、维修速 度要求，维修场所（外场、场站、基地）。 二、飞机设计过程二、飞机设计过程第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的研制2. 2. 结构设计结构设计3 3）结构设计的原始条件）结构设计的原始条件结构的生产条件加工能力（设备类型、精度，人员素质水平）装配能力（精度，装配量） 生产能力（产量）生产质量保障体系（技术与管理） 二、飞机设计过程二、飞机设计过程第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的研制2. 2. 结

23、构设计结构设计4 4）结构设计过程简介）结构设计过程简介： 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； 确定各结构的基本尺寸； 画出结构详细打样图，并进行细节设计； 强度计算，对关键件进行疲劳、耐久性、损伤容限的初 步分析，如不满足要求则修改设计； 零构件详细设计，绘制全套生产图纸，编制相应技术文 件； 全机疲劳寿命、损伤容限分析；可靠性分析； 根据试验、试飞结果对设计进行必要的修改。二、飞机设计过程二、飞机设计过程第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的研制三、飞机制造过程三、飞机制造过程 飞机制造工厂根据飞机设计单位提供的设

24、计图纸和技术资料进行试制、安装。 首批（一般称“0”批，24架）新飞机即可投入全机强度、疲劳和损伤容限的验证试验和试飞。 数字化设计/制造/管理一体化技术的发展： B777成为第一架无纸设计飞机。第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的研制四、飞机的试飞、定型过程四、飞机的试飞、定型过程1. 1. 地面试验地面试验全机静强度试验；地面操作试验；疲劳损伤容限试验；起落架试验；全机各系统试验等2. 2. 试飞试飞 全面检验飞机的性能、安全性。3. 3. 改进设计与制造方法改进设计与制造方法4. 4. 定型，小批量生产定型，小批量生产第一章第一章 绪论：飞机结

25、构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的研制飞机强度校核飞机强度校核第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的研制飞机强度校核飞机强度校核第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的研制飞机强度校核飞机强度校核第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的研制机身疲劳试验后,机翼机身被分解检查第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 2 飞机的研制飞机的研制起落架落震试验起落架落震试验第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构

26、设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法3 飞机结构设计的基本要求及设计方法飞机结构设计的基本要求及设计方法一、基本要求一、基本要求1. 1.气动性能和设计一体化要求气动性能和设计一体化要求 保证飞机具有合理的气动外形和好的表面质量（否则飞行性能和品质变差），如:翼身融合。 多功能结构一体化协调设计，如隐身结构一体化、飞机发动机一体化、飞控火控结构一体化设计等。2 2 最小重量要求最小重量要求 保证结构完整性结构完整性条件下结构重量最轻。 结构完整性结构完整性：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、损伤容限及耐久性等飞机所要求的结构特性的总称。 第一章第一章

27、 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法一、基本要求一、基本要求2. 2. 最小重量要求最小重量要求 要求结构设计应保证结构在承受各种规定的载荷和环境条件下： 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问题； 具有足够的寿命和损伤容限，以及高的可靠性； 在保证上述条件得到满足的前提下，使结构的重量尽可能轻。 结构重量系数：结构重量系数： 飞机结构重量/飞机正常起飞重量的百分比。 第一代第四代歼击机 35%33%30.5%28% 。第一章第一章 绪论

28、：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法一、基本要求一、基本要求2. 2. 最小重量要求最小重量要求 设计和制造人员的重要使命：减重。 口号：“为减轻飞机的每一克重量而奋斗”。例: 一架现代喷气式客机，使用寿命一般为20 年。假设飞行小时以60000h计，一架总重100t的飞机其结构重量约为30 t，若使其重量减轻100kg，则能多载一名乘客或100kg货物。飞机速度假设为900km/h，tkm收入为1.8元，则能多收益多少？ 解： 1.8 0.1 900 60000 = 972（万元） 由此可见，随着飞机寿命的增加，减轻结

29、构重量的经济利益越来越大。第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法一、基本要求一、基本要求3. 3. 使用维护要求使用维护要求 开畅性：便于检查、维修作业 维修性：合理布置和设计各种分离面、开口、锁等4. 4. 工艺要求工艺要求良好工艺性：结合产品的产量、机种、需要的迫切性和加工条件等综合考虑。复合材料等新材料，还应对材料、结构的制作和结构修理的工艺性予以重视。 5. 5. 经济性要求经济性要求生产和使用成本全寿命周期费用（LCC）：飞机的概念设计、方案论证、全面研制、生产、使用与保障五个阶段直到退役或报废

30、期间所付出的一切费用之和。第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法二、飞机结构设计思想的演变二、飞机结构设计思想的演变飞机结构设计思想的演变跟随科学技术的发展飞机结构设计思想的演变来源于飞机使用的实践随着航空科技的发展，才形成完整的飞机结构设计准则第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法二、飞机结构设计思想的演变二、飞机结构设计思想的演变1. 1. 静强度设计阶段静强度设计阶段 式中： Pd设计载荷；Pe使用载荷； f安

31、全系数；Pu极限载荷。 如果设计载荷小于极限载荷，就认为安全。 安全系数 f 由强度规范给出，飞机结构设计必须通过整机静强度试验。deudPfPPP第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法二、飞机结构设计思想的演变二、飞机结构设计思想的演变2. 2. 静强度和刚度设计阶段静强度和刚度设计阶段 飞机速度、机动性提高气动弹性问题的突出，要求结构还应有足够的刚度。 设计准则：设计准则：结构在设计载荷下的变形量结构容许的变形量。 对气动弹性问题提出的刚度要求： 飞机最大飞行速度飞机气动弹性设计速度Vcr。 Vf，V

32、s，Va分别为机翼临界颤振速度、发散速度和副翼失效速度； ff，fs，fa为相应的安全系数。),min(aassffcrVfVfVfV第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法二、飞机结构设计思想的演变二、飞机结构设计思想的演变3. 3. 强度、刚度、疲劳安全寿命设计阶段强度、刚度、疲劳安全寿命设计阶段 随着飞机使用寿命的提高，高强度材料的应用，结构疲劳破坏的可能性大大增加。飞机设计在静强、刚度的基础上，引入抗疲劳的安全寿命设计思想。 设计准则： 式中，Ne飞机的实际使用寿命； Nsa飞机结构的安全寿命； N

33、ex结构疲劳试验寿命； nf 分散系数，一般取4。 自50年代开始，美国使用到上世纪70年代，其他国家不同程度沿用至今。esaexfNNNn第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法二、飞机结构设计思想的演变二、飞机结构设计思想的演变4. 4. 强度、刚度、损伤容限和耐久性强度、刚度、损伤容限和耐久性( (经济寿命经济寿命) )设计阶段设计阶段 原按疲劳安全寿命设计的飞机出现断裂事故。第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方

34、法二、飞机结构设计思想的演变二、飞机结构设计思想的演变4. 4. 强度、刚度、损伤容限和耐久性强度、刚度、损伤容限和耐久性( (经济寿命经济寿命) )设计阶段设计阶段 原因分析： 没有考虑到实际上结构在使用之前，由于材料、生产制造和装配过程中已存在有不可避免的漏检的初始缺陷和损伤； 当时使用的高强度或超高强度合金的断裂韧性降低； 这些缺陷、损伤于使用过程中在重复载荷作业下将不断扩展，直至扩展失控造成结构破坏和灾难性事故。 解决措施： 美国空军于1971年的军用规范中提出了安全寿命/破损安全设计思想作为过渡性措施，曾得到广泛应用。 19741975年美国颁布第一部损伤容限设计规范。4. 4. 强

35、度、刚度、损伤容限和耐久性强度、刚度、损伤容限和耐久性( (经济寿命经济寿命) )设计阶段设计阶段1 1）损伤容限设计：损伤容限设计： 概念： 承认结构在使用前就带有初始缺陷； 但必须把这些缺陷或损伤在规定的维修使用期内的增长控制在一 定的范围内； 在此期间，受损结构应满足规定的剩余强度要求，以保证飞机结 构的安全性和可靠性，同时不致使飞机结构过重； 在规定的未修理使用周期内，抵抗由缺陷、裂纹、其他损伤而导 致破坏的能力。第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法二、飞机结构设计思想的演变二、飞机结构设计思想

36、的演变4. 4. 强度、刚度、损伤容限和耐久性强度、刚度、损伤容限和耐久性( (经济寿命经济寿命) )设计阶段设计阶段1 1）损伤容限设计：损伤容限设计： 根据结构是否可检查，损伤容限设计分为两种结构类型： 可检查结构破损安全结构； 不可检查结构缓慢裂纹扩展结构。 破损安全结构（可检查结构）破损安全结构（可检查结构）式中， 飞机的剩余强度系数；下标fa表示“破损安全”，e表示“使 用”，d 表示“设计 ” 第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法(1.5);faedff,4;ex faHN二、飞机结构设计思

37、想的演变二、飞机结构设计思想的演变式中，H检查间隔周期，下标ex表示疲劳寿命试验。4. 4. 强度、刚度、损伤容限和耐久性强度、刚度、损伤容限和耐久性( (经济寿命经济寿命) )设计阶段设计阶段 缓慢裂纹扩展结构（不可检查结构）缓慢裂纹扩展结构（不可检查结构） 式中，下标a0表示“初始裂纹长度”，a，cr表示临界裂纹长度 ， n为分散系数，一般取2。 2）耐久性设计）耐久性设计 按耐久性考虑的经济寿命取代安全寿命，表示出现某种损伤使其修复反而是不经济的时限。 第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法0,/a

38、a creexNNNn,/ ;eceex enNNNn二、飞机结构设计思想的演变二、飞机结构设计思想的演变式中，下标ec表示“经济”，en表示耐久性；n为分散系数，一般取2。5. 5. 结构可靠性设计试用阶段结构可靠性设计试用阶段 运用可靠性原理，将上述各种定量设计准则变换成随机变量设计准则。 现处于试用阶段。第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法*sisiRR二、飞机结构设计思想的演变二、飞机结构设计思想的演变 式中，Rs表示结构体系的可靠度；i分别对应于静强度、动强度、损伤容限、寿命等情况，上标*表示

39、对应的可靠性指标。美国军用规范更新一览表美国军用规范更新一览表 第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法二、飞机结构设计思想的演变二、飞机结构设计思想的演变 年代代号名称说明1938X-1803-A应力分析规范规定了各类飞机的过载，规定了安全系数为1.51957MIL-S-5700有人驾驶飞机的结构规范1960MIL-A-8860A飞机强度与刚度除强度刚度外还规定了可靠性要求，重复载荷和疲劳1971.3MIL-A-008866A飞机强度与刚度/重复载荷和疲劳增加了破损安全和安全裂纹扩展的原则性要求美国军用规

40、范更新一览表（续）美国军用规范更新一览表（续） 第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法二、飞机结构设计思想的演变二、飞机结构设计思想的演变 年代代号名称说明1971.3MIL-A-008867A地面试验增加了损伤容限试验和安全裂纹扩展的原则性要求1972.9MIL-STD-1530飞机结构完整性大纲增加了裂纹分析和损伤容限分析，相应的疲劳试验和损伤容限试验等要求1974.7MIL-A-83444飞机损伤容限要求同MIL-A-008866B,MIL-A-008867B,MIL-STD-1530结合使用197

41、5.8MIL-A-008866B飞机结构强度与刚度、可靠性要求，/重复载荷和疲劳经济寿命取代安全寿命美国军用规范更新一览表（续）美国军用规范更新一览表（续） 第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法二、飞机结构设计思想的演变二、飞机结构设计思想的演变 年代代号名称说明1975.8MIL-A-008867B飞机结构强度与刚度、地面试验耐久性试验和损伤容限试验取代疲劳试验，分散系数由4降为21975.12MIL-STD-1530B飞机结构完整性大纲去掉疲劳分析和疲劳试验，突出损伤容限分析和耐久性分析，明确规定损

42、伤容限试验和耐久性试验目前耐久性设计概念仍是一种较新的方法，还有待于在今后的实践中 进一步发展和完善。根据我国具体情况，新机设计可有两种典型配套方案：安全寿命（疲劳）/损伤容限设计损伤容限/经济寿命（耐久性）设计第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法二、飞机结构设计思想的演变二、飞机结构设计思想的演变第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法1. 1.基于结构力学基于结构力学1）根据设计对象的具体要求、条件，根据经验，结

43、合设计 原理、知识进行定性分析，选出结构方案；2）初步设计计算（初定量计算），确定主要元件截面尺寸；3）强、刚度校核，如刚、强度不够或有过多富余，则修改设 计，再校核，反复数次； 计算分析以工程梁理论为基础，并对结构受力特性不符合 工程梁假设的结构进行修正计算。 应用于大展弦比直机翼和小尺寸机身可获得一定精度。三、飞机结构设计方法三、飞机结构设计方法第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法2. 2. 结构有限元分析结构有限元分析三角机翼、小展弦比机翼， 必须考虑弹性变形，工程梁假设不再适用。1 1）基本概念

44、）基本概念将一个系统复杂的连续体（如整个结构）简化为若干单元组成的等效组合体，从而求得位移、应力、应变的近似数值解。近似程度取决于所采用单元模型、数量以及对单元的插值函数。2 2）分析过程）分析过程 结构划分单元，建立边界条件（载荷、支承）； 单元分析，建立刚度矩阵； 结构整体分析，形成总刚度矩阵；三、飞机结构设计方法三、飞机结构设计方法第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法2. 2. 结构有限元分析结构有限元分析2 2）分析过程）分析过程 数值求解，根据边界条件解出各节点位移；利用单元分析得到的关系，求

45、出各单元的应力和应变。三、飞机结构设计方法三、飞机结构设计方法第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法结构有限元分析（结构有限元分析（Patran-Nastran）第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法结构有限元分析（结构有限元分析（Patran-Nastran）第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法结构有限元分析（结构有限元分析

46、（Patran-Nastran）第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法零件有限元分析（零件有限元分析（Catia）第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法3. 3.结构优化设计方法结构优化设计方法 1 1）概述）概述要求要求： 结构在规定的载荷下，满足结构完整性要求，有足够 的可靠性和寿命 最小重量或成本。 步骤：步骤： 将所需确定的结构参数，如杆元截面积、板的厚度等 尺寸作为设计变量； 加入结构的约束条件，如变形协调方程以及对强度、 刚度、寿命的限制作为约束条件； 三、飞机结构设计方法三、飞机结构设计方法第一章第一章 绪论：飞机结构设计概述绪论：飞机结构设计概述 3 飞机结构设计的飞机结构设计的基本要求和设计方法基本要求和设计方法3. 3.结构优化设计方法结构优化设计方法 将反映结构最重要的指标，如最小重量或成本，作为目 标函数，求解（条件极值问题）。 如： 目标函数： 约束条件： 式中：i密度； li杆长或板面积； Ai设计变量，指杆截面积或板厚； i，i实际应力，实际位移； i，i许可应力，许可位移；minii iWAl三、飞机结构设计方法三、飞机结构设计方法m