新编飞行器结构设计第二章课件

第二章、飞机结构的外载和典型构造本章内容1飞机的外载荷2介绍机翼、尾翼和机身的典型结构

7/24/20231第二章、飞机结构的外载和典型构造2.1飞机的外载荷

一.飞机结构的主要载荷

飞机作为运载工具要求反复使用，可能经历各样的复杂载荷历程。最主要、最基本的有哪些？对结构的影响作用是什么？这是设计师们关心的基本问题；其次是不同载荷形态与主要载荷的差异以及这些载荷的变化规律（包括大气气象规律的统计）。

1.思维要点：主要载荷形式；②主要载荷分类；③作用于结构如何分析。

7/24/202322.1飞机的外载荷

2.载荷的参照坐标系：机体坐标系

7/24/202332.1飞机的外载荷

3.基本载荷形态及分析

从飞行原理上可以知道：

加力飞行；匀速平直飞行；停机、滑跑状态。

7/24/202342.1飞机的外载荷

7/24/202352.1飞机的外载荷7/24/202362.1飞机的外载荷

飞机的外载：重力（G)、升力（Y)、

阻力（X）、推力（P）、起落架载荷。

惯性力：质量乘以加速度的负值质量力：飞机重力G（mg）和惯性力N(-ma)均与飞机质量m有关，故统称为质量力。7/24/202372.1飞机的外载荷达朗倍尔动静分析（刚体动平衡）

7/24/202382.1飞机的外载荷

飞机的外载图像演示7/24/20239

2.2典型飞行姿态和载荷系数1.俯冲拉起:对称面内作曲线机动飞行情况（纵向飞行）

飞机的升力使飞机保持向心曲线运动。7/24/2023102.2典型飞行姿态和载荷系数

动平衡关系：（机体坐标系y向）

,表现了运动的变速特征（曲线运动）

即：

升力等于G乘上一个系数，该系数称为载荷系数。7/24/2023112.2典型飞行姿态和载荷系数分析该曲线运动中，的特性：①②与曲线航迹半径成反比，与切线运动速度的平方成正比，这表明：若一定，v一定，则运动半径就规定了；太小，则结构承载发生问题；若一定，v一定，则速度就要限制。③由此看来，对结构设计是一个重要的无量纲载荷系数。

7/24/202312

2.2典型飞行姿态和载荷系数二.载荷系数的概念1.载荷系数定义：除重力外，作用在飞机某方向上的所有外力的合力与当时飞机重量的比值，称为该方向上的载荷系数。Note：①对重力视可不见；②千万不能计及惯性力；③机体坐标系为正向；④载荷系数是一矢量，分量用nx、ny、nz表示。e.g.平直匀速飞行：ny=1平直匀速倒飞：ny=-1（-Y/G

Y与机体坐标系相反）

7/24/202313

2.2典型飞行姿态和载荷系数

(2)物理意义：①表示了作用于飞机重心处的外力与飞机重力的比值关系；②表示了飞机质量力（重力与惯性力均与质量有关，故统称为质量力）与重力的比率。（应注意质量力与外力方向相反）③飞机的质量力应当是飞机的各部分质量力之和：7/24/2023142.2典型飞行姿态和载荷系数④飞机中的某集中质量GI=mig，作用在结构上的质量力为： ⑤当飞机沿x方向有变速运动时，x向惯性力：

若俯冲拉起中的曲线运动中，切向是加速运动，则：

⑥nz=0（飞机展向变速平移难）；az一般较小，在大机动飞行中可能出现。

7/24/2023152.2典型飞行姿态和载荷系数

2、实用意义 ①作为飞机结构设计时重要原始载荷系数；

②n的大小实际反映了飞机的机动性能；

③结合n和已知的气动力分布，可获得实际作用于结构上载荷的大小，从而进行设计与校验。

④可通过在飞机重心处安装加速度计来获取。

7/24/202316

2.2典型飞行姿态和载荷系数

三、其他飞行姿态的过载

1、进入俯冲状态：

（可能为负，说明升力不总是正的）2、垂直俯冲状态：

(外作用合力等于惯性力合力的负值)

7/24/2023172.2典型飞行姿态和载荷系数

3、等速水平盘旋：（非对称机动飞行）

7/24/2023182.2典型飞行姿态和载荷系数

7/24/2023192.2典型飞行姿态和载荷系数4、垂直突风(在航迹运动坐标系中分析)7/24/2023202.2典型飞行姿态和载荷系数

（1）计算突风引起的升力变化:

（2）计算载荷系数

Note:若突风不垂直飞机时,应怎样处理?

7/24/2023212.2典型飞行姿态和载荷系数

5、飞机转动(升降)时的过载(刚体运动分析)7/24/2023222.2典型飞行姿态和载荷系数

①运动分析:旋转+平移②载荷分析:当平尾产生机动载荷时,飞机产生平移与旋转；该载荷克服了飞机原有的平飞状态,使飞机在上述两个运动中产生加速度。从动平衡角度,平尾机动载荷与它克服的惯性力及力矩相平衡。

7/24/2023232.2典型飞行姿态和载荷系数

Ⅰ.平移速度载荷系数(质点)(外载分析法)

Ⅱ.绕中心转动的载荷系数(质量力分析法)Note:

①表示单位长度上的重力②集中装载物(发动机,机载设备)③要注意装载物较长的情况,当作集中点误差太大,则应

(绕自身重心轴的质量惯性矩)

i表示转动轴线上的任意位置

YtmyxiNiyNiyx7/24/2023242.2典型飞行姿态和载荷系数

6、着陆时的过载

7/24/202325

2.2典型飞行姿态和载荷系数

①

这里的过载定义与空中飞行情况不同。当空中匀速飞行时,ny=1表示Y/G=1 地面滑行或停止态时,再以升力来定义已毫无意义,应以地面的支撑载荷与重量之比来定义,即ny=1=Plg/GNote:i.

这两种情况下的ny=1,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于起落架上,通过起落架作用于机身。

7/24/2023262.2典型飞行姿态和载荷系数

ii.工程上,常称平飞时ny=1为平飞的1g(g是以重力为单位)；停机时ny=1为停机的1g7/24/2023272.2典型飞行姿态和载荷系数

②

着陆时载荷分析:从着陆前到完全着陆瞬间,飞机y向速度从-Vy减至零,故此时的减速度为:所以，减速度a指向机体坐标系y的正向，故此时的惯性力(作用于地面)的方向是向下的。由动平衡分析:

7/24/2023282.2典型飞行姿态和载荷系数

③

由着陆时的载荷(地面给予的外载荷)与重量之比 的过载定义,即设:

④这个过载不允许过大,一般ny=3~4(因为与飞行时对结构与人的作用不同)

着陆或滑时的情况多样,还可能发生nx,或nz.7/24/2023292.2典型飞行姿态和载荷系数

7、飞机设计时最大载荷系数的选取①影响选择最大载荷系数的因素:i.

载荷系数实际反映了飞机的机动性能,因此越大越好,但对运输机或客机则没有太大必要。Ⅱ.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，则结构重量大。

7/24/2023302.2典型飞行姿态和载荷系数

Ⅲ.载荷系数的载荷作用，不仅对结构有作用，而且对机载设备及乘员有载荷作用。载荷系数越大，对他们的作用越强，要视他们的承受能力而定。Ⅳ.

飞行时的载荷系数（除突风干扰外），一般来自于发动机的推力，载荷系数大，结构要重，发动机的加力性能要好，即剩余推力要大。Ⅴ.

载荷系数的选择影响因素众多，要依据技术性能要求综合确定,并不是越大越好。7/24/2023312.2典型飞行姿态和载荷系数

②人对过载的反映：

②说明人在短时间承受较大过载尚可，特别是正过载。较长时间承受过载能力很差，特别是负过载。战斗机的过载一般为-3~8民机则无必要。③提高人抗过载的能力：抗过载服。④规范中的过载系数可供选择(飞行包线上给定）。7/24/2023322.3复杂载荷情况

飞机是一种反复使用的运载工具或作战武器。服役期内会遇到各种载荷。设计中，不仅应掌握典型设计状态中的极限载荷及其对结构作用的分析方法，（以作为飞机结构极限能力的设计依据）；还应把握这些载荷的变化规律，作用次数等统计规律，因为这些虽未达到极限状态，但长期作用仍对结构有破坏作用，这就是通常所说的疲劳载荷。

7/24/2023332.3复杂载荷情况

一、疲劳载荷飞机遇到载荷长期反复变化地作用，这种作用会导致结构的“疲劳”破坏，因此这种载荷历程一般称为“疲劳”载荷。

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，大气紊流的强度以及作用的次数统计；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，机动飞行的种类,飞行次数等；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；

7/24/2023342.3复杂载荷情况

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1g载荷变化到空中 飞行的1g载荷，这种均值载荷的变化也是疲劳载荷；⑧其他：机翼尾流对尾翼的周期性作用

tp7/24/2023352.3复杂载荷情况

作用：①设备工作的影响；②人员的不适；③结构疲劳导致缺陷生长成裂纹并不断发展，最终导致断裂 ④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。二、其他特殊情况载荷1、非正常状态载荷:单发停车、尾旋、单轮着地、打地转、机头碰地、飞机翻倒、强迫着陆等情况。

7/24/2023362.3复杂载荷情况

2、鸟撞载荷鸟撞试验，2km以下最大飞行速度飞行时风档承受1.8kg鸟撞。3、冰雹载荷防冰、破冰措施，考虑承受冰雹撞击（密度、直径、速度等）4、噪声：声压场测量

预测声载荷大小、分布、作用时间，声振结构疲劳分析动力装置噪音：螺旋桨、压气机、喷气的噪音空气动力噪音：附面层压力波动、尾流、激波振荡武器发射噪音：机炮、导弹、火箭发射5、瞬时的响应载荷起飞助推、外挂物投放、弹射等对飞机结构作用的载荷。7/24/2023372.3复杂载荷情况

三、环境谱的编制 前面的载荷谱为载荷大小随时间的变化，即载荷—时间历程，环境谱则为环境强度随时间的变化，即环境—时间历程。一架飞机使用寿命：民机30000――60000飞行小时军机3000－8000飞行小时日历寿命20―25年地面停放的影响主要是环境。1.环境谱的编制步骤：

①确定飞机使用环境种类（根据飞机的特定用途和使用方法）②根据战、技要求或使用要求，确定飞机在不同地域服役时间 ③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； ④获取环境数据；⑤编制各类环境谱。7/24/2023382.3复杂载荷情况

2、温度效应及其载荷

来源：①高速气流运动（一般）在机体表面的摩擦生热，与环境温度及飞行速度有关：

②发动机燃烧及其尾部热气流对结构的作用。

作用： ①一般降低结构材料的强、刚度； ②产生热变形/热应力； 均匀温度对静定结构产生热变形而无热应力；温度梯度产生热变形和热应力；均匀温度对静不定结构产生热应力。③热的蠕变效应。tδ7/24/2023392.4飞机设计规范

飞机设计规范简介：

①指定设计规范的意义：对飞机设计和研制给出全面要求的指令性技术文件，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。7/24/2023402.4飞机设计规范

一、规定了飞机的分类及其相应的载荷系数（结构设计规范）①按用途分：歼击机（J）；强击机（Q）；歼击教练机（JJ）多用途机（DY）；教练机（JL）；轰炸机（H）大型运输机（YH）②用机动性分机动类（歼击机，强击机及相应的教练机）ny=-3~8半机动类（战术轰炸机，多用途飞机）ny=-2~4、非机动类（战略轰炸机，运输机）ny=-1~37/24/2023412.4飞机设计规范

二、规定了飞行包线及设计情况

1、设计情况具有代表性的最严重的各种飞机载荷情况。使飞机结构易遭到破坏、人员设备易受损伤的载荷情况都应入选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。对称机动飞行包线的A,B,D,E情况非对称机动中的滚转机动、滚转改出对称着陆情况、偏航着陆、单个起落架着陆情况等。7/24/2023422.4飞机设计规范

2、设计重量①最小飞行重量；空机重＋5％燃油＋最少乘员②最大设计重量；携带最大机内及机外装载③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④着陆设计重量。最大设计重量－50％机内及机外燃油7/24/2023432.4飞机设计规范

3.飞行包线i.

依据飞机飞行性能、操纵性、稳定性以及技战术要求，结构 强度要求等综合确定的飞机飞行极限（ny—vdl图）。ii.

典型飞行状况的飞行包线

Ⅲ.典型飞行载荷工况： a)对称机动飞行下的使用载荷； b)急剧俯仰机动； c)襟翼放下拉起状态； d)滚转与滚转改出机动等。7/24/2023442.4飞机设计规范

4、安全系数：fi.安全系数是静强度安全设计的主要解决方法。

使用载荷：飞机在使用中预计各构件可能遇到的最大载荷

设计载荷：使用载荷乘以安全系数安全系数取法凡在规范中未作特殊说明之处，安全系数均为1.5；当载荷的性质、大小和分布不能准确确定时，安全系数增大到1.65、2或更大；对于主要的接头和耳片，由于特殊重要性，在上述安全系数基础上，尚应乘以附加安全系数1.25ii.静强度设计准则：

7/24/2023452.4飞机设计规范

iii.使用设计载荷的原因：a)保证结构安全；b)反映静不定结构的承载能力，充分发挥静不定结构的承载能力，可使结构设计得更轻；c)便于与破坏载荷的理论设计实验验证；d)f值选取的影响因素；e)设计要求（结构不能有影响功能的永久变形，强度裕度）；f)材料应力应变特征(控制在一定应力水平和应变条件下）；g)工艺制造水平；h)计算、试验误差（粗糙、准确程度）。7/24/2023462.5民用飞机适航性

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。7/24/2023472.5民用飞机适航性

主要内容有：（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7/24/2023482.5民用飞机适航性

2适航标准

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。如《正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航标准》（CCAR－23）《运输类飞机适航标准》（CCAR－25）《一般类旋翼航空器