第06讲-翼面结构(1)

第六讲飞机结构分析与设计1第四章机翼、尾翼结构分析与设计§4.1机翼的功用与要求机翼的用途一、机翼的功用产生升力，保证飞机战术技术所规定的飞行和机动性能要求保证飞机横向稳定性、操纵性以及增升、增阻效能安装起落架、发动机、武器等装载燃油、军械、设备等21-骨架翼粱；2-腹板和桁条；3-襟翼；4-扰流片；5-副翼；6-蒙皮；7-前缘缝翼；8-挂架；9-翼肋机翼的构成3机翼的质量机翼占飞机机体质量的30%~50%；占整个飞机质量的8%~15%。机翼占飞机全阻力的30%~50%。4飞机结构设计的基本要求飞机结构设计的基本要求气动要求重量要求使用维护要求工艺要求二、机翼结构的设计要求机翼的设计要求与上述四项基本要求是一致的，然而由于功用不同，侧重点有所不同。机翼的主要要求：气动、强度、刚度、寿命、重量要求是主要要求。这是由机翼的功用、载荷和外形特征因素所决定的。5重量要求：在外形、装载和连接情况已定的条件下，重量（包括重量分布）要求是机翼结构设计的主要要求，就是要设计出一个既能满足强度、刚度和一定寿命要求，而又尽可能轻的结构来。（强度包括：静强度、动强度和疲劳强度等）气动要求：机翼主要用于产生升力，因此主要是空气动力方面的要求。机翼的气动特性由其外形参数（展弦比λ、相对厚度c、后掠角χ等）来保证，这些参数在总体设计时已经确定。结构设计时，则从强度、刚度、表面光滑度等各方面保证机翼气动外形要求。机翼的主要要求（1）6使用、维护要求：要求飞机使用方便，并便于检查、维护和修理。机翼内部通常有操纵系统零构件、燃油管路、电器线路、液压管路等，对这些系统和线路要经常检查调整。机翼内部安排有整体油箱时，需常对油箱进行检查维护，以保证油箱的密封可靠。按破损安全原则设计的机翼，对影响飞行安全的结构需定期检查。对所有要求检查维护的部位，都应有良好的可达性，必须设置一定数量的开口。工艺性和经济性要求：与一般的飞机结构相同。机翼的主要要求（2）7§4.2机翼的载荷与内力一、机翼的外载荷1、气动载荷：空气动力载荷

qa

是分布载荷，直接作用在机翼的主体和各副翼的表面上。各副翼本身虽承受分布载荷，但因它们都以有限的连接点与机翼主体相连，因此这些载荷均通过接头以集中力形式传给机翼主体。作用在机翼上的载荷有气动载荷结构质量载荷接点载荷分布载荷集中载荷82、结构质量力：机翼本身结构的质量力

qc，也是分布载荷。3、接点载荷：连接在机翼上的其它部件传来的力和布置在机翼内外各种装载产生的质量力。除了在以翼箱作为整体油箱情况下燃油产生的载荷是分布载荷外，一般这些载荷均是通过几个连接点，以集中力形式传给机翼主要结构的，其中有些力的数值可能很大。作为简化模型，当机翼分成两半与机身在其侧边相连时，可把每半个机翼看作固定支持或弹性支持在机身上的悬臂梁。若机翼为一整体时，则把它看作是支持在机身上的双支点外伸梁。二、机翼的边界条件三、悬臂梁的剪力和弯矩Q+dQQQQ+dQQ-(Q+dQ)-qdx=0dQ

/dx=-q9机翼上的载荷向机身传递过程中，在机翼中引起的内力有：剪力Qn，Qh，弯矩Mn，Mh

和扭矩Mt。M+qdx(dx/2)+(Q+dQ)dx-(M+dM)=0

dM/dx=Q通常Qn>>Qh，Mn

>>Mh，而弦平面内的结构宽度和惯性矩很大，Qh和Mh引起的正应力和剪应力比Qn和

Mn引起的应力小得多，故近似分析时常不考虑Qh和Mh，只考虑Qn,Mn

和Mt

，并且将它们简写为Q、M

和

Mt。Q+dQQQQ+dQ图4-2机翼的总体内力四、机翼的内力10机翼任一剖面中的分布载荷所引起的剪力和弯矩为式中q=

qa-qc

l

/2—机翼半展长分布载荷引起的剖面扭矩式中mt=

qa•e+

qc•d

l

/2—机翼半展长刚心轴线11§4.3机翼的结构形式在具体的结构尚未设计确定以前，刚心线位置还不知道，这时可以近似取一根垂直于机身轴线的直线作为相对轴。对相对轴的扭转虽然不是真正的扭矩，但在弯扭未曾分开计算的情况下，求得的正应力、剪应力与弯扭分开计算的结构（扭矩按相对刚心轴计算）完全相同。机翼元件纵向元件：翼梁、纵墙、桁条横向元件：普通翼肋、加强翼肋蒙皮组成内部受力骨架机翼结构组成12一、各元件的承载特点这些元件的基本功用是：形成和保持机翼外形，以产生气动力，承受和传递外载荷。各元件的承载特点表载荷承力元件应力Q翼梁腹板、纵墙腹板剪应力M翼梁缘条、桁条、蒙皮正应力Mt翼梁、纵墙腹板以及蒙皮组成的闭室剪应力13二、主要受力元件1、蒙皮蒙皮的直接功用是形成流线形的机翼外表面，并参与机翼的总体受力。为了保证表面光滑度，蒙皮应有足够的横向弯曲刚度。蒙皮可以和桁条组成整体式的壁板承受正应力（图3.8a），此外还有夹芯蒙皮（图3.8b）金属蒙皮整体蒙皮142、翼肋

普通翼肋的直接功用是形成机翼剖面所需的形状。它与长桁、蒙皮相连，并以自身平面内的刚度给长桁、蒙皮提供垂直方向的支持。3、翼梁由腹板和缘条组成。是单纯的受力件，承受剪力Q和弯矩M。翼梁大多数在根部与机身固接。加强翼肋也具有上述作用，但其主要是用来承受自身平面内的较大集中载荷，或由于结构不连续（如大开口）引起的附加剪流。154、纵墙（腹板）5、长桁长桁是与蒙皮和翼肋相连的纵向元件，是纵向骨架中的重要受力元件之一。长桁和翼肋在一起，还对蒙皮起支撑作用。机翼的特点：机翼是薄壁结构，各元件之间的连接大多采用分散连接，如铆接、螺接、点焊等。纵墙的缘条比梁缘条弱得多，但还是强于一般的桁条，与机身的连接为铰接。腹板或没有缘条，或缘条与长桁一样强。墙和腹板都不能承受弯矩，而是与蒙皮组成封闭盒段，以承受扭矩。对蒙皮支持作用，后墙还有封闭机翼内部容积的作用。16三、机翼的结构形式1、梁式：主要结构特点是纵向有很强的翼梁，蒙皮较薄，长桁较弱，梁的缘条剖面与长桁剖面相比要大得多。与机身的连接形式梁式机翼通常作成两个半机翼，即机翼常在机身两侧有设计分离面，并就在此分离面处借助几个对接接头与机身连接。机翼的典型结构形式梁式：单梁、双梁、多梁式单块式多腹板式混合式17

2、单块式：主要结构特点是长桁较多、较强，蒙皮较厚，翼肋较密，一般梁缘条的剖面面积与长桁的剖面面积接近或略大一些，有时只布置纵墙而不采用缘条面积较大的翼梁。分类按翼梁的数量，可分为单梁式、双梁式和多梁式(3-5根梁)图4-8单块式机翼1-长桁；2-翼肋；3-墙优点结构简单，蒙皮上大开口方便，开口对结构承弯能力影响很小；连接简单，对接点少。缺点蒙皮未能发挥承弯作用，蒙皮材料利用不充分；蒙皮易失稳，影响气流质量，增大阻力，并易导致早期疲劳损坏；生存性低。单块式18与机身的连接形式为了充分发挥单块式机翼的传力特点，机翼一般作成整体贯穿机身。整个机翼通过几个接头与机身相连。优点蒙皮在气动载荷作用下变形较小，气流质量高。材料向外缘分散，抗弯、抗扭强度及刚度均有所提高。安全可靠性好。缺点结构复杂，对开口敏感。与中翼或机身接合点多，连接复杂。

3、多腹板式（多墙式）：主要结构特点是

这类机翼布置了较多的纵墙（一般多于5个，有的多达10余个），蒙皮较厚，无长桁，翼肋很少。厚蒙皮单独承受全部弯矩。多腹板式机翼多用于高速飞机的小展弦比薄机翼。多腹板式194、混合式：介于梁式、单块式、多腹板式之间的机翼结构形式。如多腹板式机翼中墙的缘条也比较强，结构介于多腹板式和多梁式之间。有些机翼为了综合发挥各种形式的优点，在不同部位采用不同的结构形式。与机身的连接形式一般在根部过渡成多梁式结构，然后与机身相连。优点抗弯材料分散在剖面上下缘，结构效率高；局部刚度及总体刚度大；受力高度分散（多腹板抗剪、蒙皮分散受弯、多闭室承扭），破损安全特性好，生存性高。缺点不宜大开口；与机身连接点多。混合式20可见，机翼结构形式是在合并维形元件和受力元件，使所有元件都参与总体受力，并且将材料都配置到提高结构效率最有利的地方的原则上发展的。5、夹层结构：夹层结构夹层结构的特点是使采用夹层板作为面板（元件），中间夹以芯层构成。芯层材料：轻质木材、硬泡沫塑料，或以金属材料或复合材料制成波纹板或蜂窝格作为芯层等。也可以用纸做成蜂窝芯层的。面板材料：铝合金、不锈钢、钛合金及各种复合材料等。芯层与面板的连接：胶接、焊接等。目前应用最多的夹层结构是铝蜂窝夹层结构。2122§4.4平直机翼的传力分析一、传力分析的一般原理1、传力分析的概念、目的

“传力分析”的一般含义：当支承在某基础上的一个结构受有某种外载，分析这些外载如何通过结构的各个元件逐步地向支承它的基础传递，则称此过程为结构的传力分析。

传力分析不可能给出精确的量的概念，而只是通过定性的或粗定量的分析来研究结构的传力特性，并进而研究结构的受力形式和主要受力构件的布置等问题。传力分析的目的：了解结构受力的物理本质，并弄清楚每个主要受力元件在结构中的作用和地位。23从受力的角度看，机翼结构有弄清楚结构所受的载荷最后应传向何处。通常分析机翼时，以机身为支持基础；分析机身时，以机翼作为支持基础。分清结构的主要和次要受力部分，主要和次要受力元件。首先着重研究在总体受力中占主导地位的受力部分和元件的受力传力作用，次要元件和次要部分通常可以略去。对主要元件的连接关系、连接方式进行详细了解，以便正确确定支持形式和传力方式。2、实际结构传力分析的基本方法主要部分：如主要受力翼盒次要部分：如机翼后缘主要构件元件：如翼梁、肋、长桁、蒙皮、接头等次要元件：如连接角片、垫片等传力分析中，着重研究参加承受机翼总体力的主要结构元件、主要部分的传力情况。对实际结构进行传力分析的基本方法：24依次选取元件为分离体，按静力平衡条件逐步分析，这样才能反映出正确的传力路线。分析传力时，还须具备刚度概念。对静不定系统

a)载荷分配与元件刚度有关。刚度大，分配到的载荷大；b)载荷分配与支持刚度有关。刚性支持分配到的载荷大，弹性支持分配到的载荷小；c)传力多少与传力路线的长度有关，传力路线短的元件，传走的力多。（刚度概念对分辨主、次受力元件，选取计算模型，对静不定结构作近似设计计算，布置受力元件时有意识地分配载荷，控制传力路线等都很有用。）25判断一个构件或元件能否传递某种载荷，就要看它在此种载荷下是否满足强度要求，或是否会产生过大的变形（超过容许的变形量）。飞机机体结构大多是薄壁结构，基本上由板、杆组成。各构件在结构中应根据它们的传力特性进行最佳组合，使它们分别承担最符合各自受力特点的载荷，这样才能使设计出来的结构重量轻。3、基本结构元件的传力特性（1）杆只能承受（或传递）沿杆轴向的分散力或集中力。机翼中的长桁、翼梁缘条就属此类元件。因为杆的抗弯能力很小，故认为它不能受弯矩，或只能受很小的弯矩（如长桁上局部气动载荷引起的弯矩）。26（2）薄板在垂直于板中面方向：根本不能承受横向集中载荷，只能承受横向分布载荷，如气动载荷、增压舱的压力载荷、燃油舱燃油质量载荷和气压载荷等。在平行于板中面方向：如直接承受集中力，薄板将被局部撕裂或压塌；能够承受板平面内的拉应力、压应力和剪应力。抗拉能力强，抗剪次之，抗压能力最低。基本结构元件的传力特性27（3）平面板杆结构它由位于同一平面内的板、杆组成，适宜受作用在该平面内的载荷。因为杆宜于受轴向力，因此，可沿板杆结构中的任何杆件加以沿杆轴方向的力。板杆结构中的矩形板（或梯形板）则有两种受载情况：板、杆之间只能相互传递剪流。如果板将拉伸应力传给杆时，则从右图可知，必定会使杆受到一横向载荷而引起弯矩，这将与杆不能受弯的假设相矛盾。三角形板杆结构因为力矩不能平衡，其中的板不能受剪力。三角形板杆结构板不受载M板、杆传递法向载荷，则杆将受弯矩28（4）平面梁可以是薄壁结构组合梁，也可以是整体梁，它适于受梁平面内的载荷。在传力分析中，可近似认为腹板只受分布剪流形式的剪力，而缘条作为杆元受