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1、飞机强度刘璐第二章 飞机结构受力分析2.2 机翼结构的受力分析飞机的翼面是指各种空气动力面，包括主翼、尾翼、前翼、操纵面（舵面、副翼）。翼面的受载特点：空气动力载荷、升力、阻力、气动压力、吸力等单面翼根据结构形式分为：蒙皮骨架式、整体式、复合材料与夹层结构根据工作特性分为：完全固定式、折叠式、伸缩式2.2 机翼结构的受力分析机翼的功用机翼的功用： (1)升力面: 产生升力,还可增加横侧安定性； (2)增升装置: 襟翼、 缝翼； (3)操纵面: 副翼、 扰流片横向操纵； (4)外挂 装载:武器外挂、发动机、内部如油，旅客机现大多油 全部装在机翼中； (5)连接其它部件: 主起落架2.2 机翼结构

2、的受力分析2.2.1机翼的结构特点和形式机翼的结构特点和形式机翼的平面形状分为：直机翼、后掠翼、三角翼、小展弦比直机翼四种。直机翼主要用于低速飞机上。后掠翼主要用于高亚音速和超音速飞机上。国外还有变后掠机翼的飞机，后掠角可在2070之间变化，以适应飞机低空低速、高空高速、低空高速的性能变化要求。三角翼和小展弦比直机翼用于超音速飞机上不同类型的平面形状的机翼。 2.2 机翼结构的受力分析机翼构件：翼梁腹板、翼梁缘条、翼肋、桁条、蒙皮。2.2.1机翼的结构特点和机翼的结构特点和形式形式1、机翼的机构元件及承力特点1）蒙皮： 蒙皮的直接功用是形成流线型的机翼外表面。 受力：蒙皮受到垂直于其表面的局部

3、气动载荷；蒙皮还参与机翼的总体受力它和翼梁或翼墙的腹板组合在一起，形成封闭的盒式薄壁梁承受 机翼的扭矩。2.2 机翼结构的受力分析2）长桁）长桁(也称桁条也称桁条) 长桁的主要功用： 支持蒙皮，防止在空气动力作用下产生过大的局部变形，并与蒙皮一起把空气动力传到翼肋上去；提高蒙皮的抗剪和抗压稳定性，使蒙皮能更好地参与承受机翼的扭矩和弯矩；长桁还能承受由弯矩引起的部分轴力。2.2 机翼结构的受力分析2.2 机翼结构的受力分析3）翼肋）翼肋翼肋是机翼结构的横向受力构件。 翼肋按其功用可分为普通翼肋和加强翼肋两种。普通翼肋的功用是：构成并保持规定的翼型；把蒙皮和桁条传给它的局部空气动力传递给翼梁腹板，

4、而把局部空气动力形成的扭矩，通过铆钉以剪流的形式传给蒙皮；支持蒙皮、桁条、翼梁腹板，提高它们的稳定性等。 腹板式普通翼肋通常都用铝合金板制成，其弯边用来同蒙皮和翼梁腹板铆接。周缘弯边和与它铆接在一起的蒙皮，作为翼肋的缘条承受弯矩。翼肋的腹板则承受剪力。加强翼肋除具有上述作用外，还要承受和传递较大的集中载荷。2.2 机翼结构的受力分析4）翼梁）翼梁翼梁由腹板和缘条(也称凸缘)组成。缘条横剖面形状多为“T”型材或角型材。翼梁的主要功用是承受机翼的剪力和部分或全部弯矩 。5）纵墙）纵墙(包含腹板包含腹板)纵墙的缘条比梁缘条弱得多，但大多强于一般长桁，纵墙与机身的连接为铰接。墙和腹板一般都不能承受弯矩

5、，但可以与蒙皮组成封闭的盒段来承受机翼的扭矩。后墙则还有封闭机翼内部容积的作用。 2.2 机翼结构的受力分析2、典型机翼的结构形式典型机翼的结构形式机翼的典型受力形式有：梁式、单块式、多腹板式或混合式等薄壁结构，此外还有一些厚壁结构(如整体壁板式)的机翼。1）梁式机翼通常有单梁式和双梁式两种。它们装有一根或两根强有力的翼梁，蒙皮很薄，桁条的数量不多而且较弱，有些机翼的桁条还是分段断开的。 梁式机翼的受力特点是：弯曲引起的轴向力主要由翼梁的缘条承受。剪力由翼梁的腹板承受。梁式机翼的主要受力构件是翼梁，因此，它具有便于开口、与机身 (或机翼中段) 连接较简便等优点2.2 机翼结构的受力分析 2）单

6、块式机翼的受力特点是：弯曲引起的轴向力由蒙皮、桁条和缘条组成的整体壁板承受。剪力由翼梁腹板承受。扭矩由蒙皮与翼梁腹板形成的闭室承受。单块式机翼的优点是： 通较好地保持翼型。 抗弯、扭刚度较大。 受力构件分散。缺点是：不便于开大舱口。不便于承受集中载荷。接头联接复杂。3）整体结构和夹层结构 质量轻、耐高温、高强度等优点。2.2 机翼结构的受力分析2.2.2机翼的外部载荷和内力机翼的外部载荷和内力1. 机翼结构的载荷1）空气动力载荷。 2）其他部件、装载传来的载荷，如：起落架、发动机、油箱等。（集中载荷、分布载荷）3) 机翼结构的质量力2. 机翼结构的内力1）机翼总体受力机翼总体受力两种两种简化形

7、式：简化形式： 将每半个机翼看作支持在机身上的悬臂梁 看作支持在机身上的双支点外伸梁。与与一般工程梁相比的特殊性：一般工程梁相比的特殊性： 机翼高度(厚度)小，但其弦向尺寸（相对于梁宽）大多与翼展有相同量级（尤其如三角翼）； 机翼在机身上的固定形式复杂，应考虑结构支承的弹性效应。2.2 机翼结构的受力分析2.2 机翼结构的受力分析2）机翼总体内力：）机翼总体内力：剪力 Q：Qn, Qh；弯矩 M：Mn, Mh；扭矩 Mt ；Mn：由Qn引起的、作用在垂直面内的弯矩；Mh：由Qh引起的作用在弦平面内的弯矩；Mt：扭矩 翼剖面的三个特征点：翼剖面的三个特征点： 刚心、压心、质心刚心、压心、质心。刚

8、心刚心：翼剖面上使结构不产生扭转变形的外力与翼弦的交点。 当剪力作用于该点时，机翼只弯不扭，或机翼受扭时，将绕其旋转。压心压心（压力中心）：（压力中心）：翼剖面上气动载荷的合力与翼弦的交点，也称焦点。质心质心：机翼结构质量力与翼弦的交点。亚音速飞行时：通常压心在弦长28%处；刚心在弦长38%40%处；质心在弦长42%45%处。 扭矩产生原因：扭矩产生原因：三心（压心、刚心、质心）不重合2.2 机翼结构的受力分析 3）内力分布及结构特点：）内力分布及结构特点： a）分布力作用下： （从翼尖到翼根）内力逐渐增大机翼外形逐渐变宽变厚、内部构件增强b）集中力作用下： 剪力图、扭矩图发生突变，弯矩图转折

9、 该处应加强c）卸载作用： 装载可减小翼根最大内力（剪力、弯矩、扭矩部件在刚心前）2.2 机翼结构的受力分析2.2 机翼结构的受力分析（4）作用在机翼上气动载荷的传递蒙皮初始受载 长桁翼肋 翼肋 梁腹板蒙皮 机翼机身接头(弯矩剪力) 扭矩(根肋)（5）机翼上集中力的传递 集中力来源: 副翼 襟翼 机翼挂架等连接接头来。 机翼结构: 薄壁结构,受集中力的能力极差。 解决办法: 集中力作用处布置构件扩散。 传集中力时，要通过某些加强构件把它转化为 适宜于机翼主要受力构件(盒式梁)所宜承受的各种分散力 先扩散 传给主盒段 机身2.2 机翼结构的受力分析2.单块式机翼结构传力分析（1）结构特点）结构特

10、点:梁较弱或只有墙；蒙皮较厚（t3）；长桁多且强。（2）受力特点）受力特点: 由梁缘条、长桁和蒙皮组成的壁板承弯其它传力路线同梁式 气动载荷传给蒙皮，蒙皮传给桁条和翼肋，翼肋传给蒙皮和腹板（3）用处）用处: 从高速飞机要求看从高速飞机要求看:1.V 气动载荷 局部刚度要求2.翼型变薄 承弯能力要求两者矛盾，两者矛盾， 办法: 提高有效高度，可采用后面介绍的多腹板式2.2 机翼结构的受力分析2.2 机翼结构的受力分析2.单块式机翼结构传力分析（4）传力分析: 剪力传递：因长桁、蒙皮较强，承轴向正应力能力大， 梁腹板受剪时，产生的轴向剪流（将形成弯矩） 由梁橼条，长绗、蒙皮组成的壁板承受。2.2

11、机翼结构的受力分析2.单块式机翼结构传力分析（5）传递过程：橼条、长桁分担轴力大小与他们的拉压刚度成正比例内力N沿展向分布按斜折线规律分布，同梁式。2.2 机翼结构的受力分析3.后掠机翼结构传力分析（1） 结构特点和受力结构特点和受力特点特点刚度特点：因为v、c,更细、长、薄， 所以弯曲刚、扭转刚均比直机翼差。变形特点：弯曲附加的扭转变形副翼反效加剧 v，要求总刚和局部刚度更高，所以刚度强度与重量的矛盾更突出，特别是刚度。 用单块式，但常不易带中央翼，所以出现混合式。 (中机身容积紧张；或根部壁板有开口：如起落架舱门、机关炮）受力特点：三角区的存在，导致“后掠效应” 机翼后掠时，一般翼肋仍垂直

12、于梁(或墙)的居多。 此时外段的情况与直机翼相同；不同之处：根部出现三角区后掠效应。2.2 机翼结构的受力分析3.后掠机翼结构传力分析后掠效应：由于三角区的存在，导致弯矩M引起的正应力向后缘集中，即越靠近后缘，正应力越大的情况。因长桁长度不一，刚度就不同，后缘长桁刚度大，分配的载荷也大。或换个说法：M作用下，因为B、C点支持刚度不同，剖面不符合平剖面假设，出现翘曲。2.2 机翼结构的受力分析3.后掠机翼结构传力分析（2）后掠机翼的传力分析 a) 单块式后掠机翼的传力以上共同点：壁板受正应力，所以三角壁板也可受剪切。 在机身侧边至少有四个铰接接头。下面以A情况为例进行分析（波音747即类似）2.

13、2 机翼结构的受力分析(i)简化模型简化模型 壁板受弯蒙皮、长桁受正应力，同时蒙皮受剪长桁转折时，外翼长桁与中央翼长桁、侧肋缘条均相连中央翼、外翼前、后墙（梁）均有腹板；与机身四点铰接。扭矩的传递2.2 机翼结构的受力分析(ii)剪力的分配剪力Q 分为 Q1和 Q2 Q1 分为 Qb和 Qr Qb 继续沿前梁往里传 Qr 沿根肋A-C传往后支点A2.2 机翼结构的受力分析(iii)弯矩的传递与直机翼主要区别：有后掠效应；有分弯矩，侧肋受载。2.2 机翼结构的受力分析b) 梁架式后掠机翼的传力 （1）原因： 机身容积紧张，不允许中央翼通过，只能用集中接头。 起落架舱（开口), 破坏了闭室盒段和壁

14、板。 梁式： i) 如用双梁等。由于双梁效应，后梁载荷大， 但H后小，所以受力不利。 ii) M有很大分弯矩，需很强侧肋；Mt在根肋处转成一对力 ，改由两梁受，可能导致梁加载或卸载。梁梁架式（由主梁，前后梁，根肋，侧肋组成受力构架）架式（由主梁，前后梁，根肋，侧肋组成受力构架） 可以可以改变构件布置，连接改变构件布置，连接 ，设计出理想的传力路线；如可使弯矩，设计出理想的传力路线；如可使弯矩M只由主梁传，只由主梁传，而主梁取机身轴线；扭矩而主梁取机身轴线；扭矩Mt可由梁架的多条可由梁架的多条 路线传走。总之，路线传走。总之， 对这类静不定梁架式对这类静不定梁架式结构，可设计传力路线，尽量发挥各

15、构件的效率。结构，可设计传力路线，尽量发挥各构件的效率。2.2 机翼结构的受力分析（2）构造特点：）构造特点： 由若干梁，连同根肋、侧肋（本身都类似“梁”受载）搭成一个骨架，M、Q、Mt转成这些构件的一个力或力矩传给接头。（3）传力分析注意点：）传力分析注意点：分析传力路线 1) 哪个支持哪个； 这是一组构件, 相互支持, 共同受载. 2) 力要传得进来； 如弯曲固接接头； 传弯时两构件轴线不一致,要第三个构件与之固连； 连接的简化 固、铰、弱固。 缘、腹都连 缘不直接连,有加强蒙皮间接连 3) 力要传得出去(传力路线直通机身才能传出)。2.2 机翼结构的受力分析( 4 ) 举例举例 各构件支持情况： AB（前梁）两端铰支梁 CB（主梁）悬臂梁 CD（后梁）悬壁梁 BD（根肋）双支点梁 （B弱固，D铰） AC（侧肋）双