结构设计(第1章 绪论)

1、首先，本课程的特点是注重基本理论概念的实用性、敏感性和工程性，注重综合运用知识概念来权衡复杂问题分析，抓住主要矛盾，找到解决问题的基本设计概念，注重培养自我分析、动手设计的主观能力和工程实践的实践能力。具体要求：注重定性分析，要求概念清晰；实用性强，需要经常去机库观察实物；理性推理很差，需要认真听课。第二，基本内容和基本要求：分析不同类型的飞机结构在飞机外部载荷下的情况；飞机结构的力传递分析：飞机结构分析和设计的基础；飞机结构主要部件的设计原则：内容要求：掌握飞机结构分析和设计的基本手段力传递分析；能够正确解释飞机结构元素的排列；能够正确分析和设计飞机结构的主要元素。1.1飞机研制过程1.2飞

2、机结构设计的原始条件1.3飞机结构设计的基本要求1.4飞机结构设计的现代理论和先进技术1.5飞机结构设计的内容和方法，1.1飞机研制过程，1。飞机的功能和对飞机1的要求。功能：有效作战武器(空战、拦截、攻击、侦察、预警、运输)空运设备(装载、货物、农林、救灾、救援、勘测、体育)2。要求：技术和战术性能指标能够满足待完成的任务。军用飞机的技术和战术要求：飞机的最大速度；上限；范围/最大操作半径；上下运行距离；负载。机动性指标(加力性能、悬停半径、爬升性能、最大允许过载系数)；秘密行动。维护和保证绩效；使用寿命；可靠性和安全性能。民用飞机使用的技术要求：有效载荷；航行；安全性、可靠性、可维护性和经

3、济性。3.飞机运行的最大特点：反复和长期使用。第二，飞机发展过程，1。技术性能论证和制定(顶层设计)过程基础：军事战略政策和战术(战略防御)要求；经营战略、工农业生产、救灾和救援要求；制定：主要绩效指标；主要使用条件；机载设备等。效率分析，成本效益分析，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：机载设备(包括燃料)布局的重量分布设计；发动机选型设计；结构的总体尺寸设计。(2)结构设计：理论设计(校对设计)；强度和刚度设计；细节设计；工程制图。飞机结构设计的现状、结构设计的任务：根据飞机模型设计、飞机三面图、总布置图、外形图、规定载荷条件、环境条件和使用方法的技术要求

4、，结合结构设计的基本要求，设计出满足使用要求、强度、刚度、疲劳和损伤容限质量合格、工艺性好、满足重量要求的机身结构，并为试生产和批量生产提供一整套图纸和技术文件。应注意设计阶段的规律：重复、循环、迭代和反馈；综合与权衡，3。飞机制造过程中的工艺设计、加工、部件/整机装配。飞机成形过程中的飞行试验和地面运行试验：启动和下降性能测试；飞行包线内每个飞行主体的飞行试验；最终确定：在结构的静态和疲劳测试完成后，它将最终确定没有任何问题。3.飞机发展过程概述，1。设计的内涵：创造性思维过程；综合辩证过程(矛盾分析，抓住主矛盾)设计的独特性；设计的重复性；设计的继承；设计与科学实验的关系。2.飞机设计的主

5、要阶段：总体设计阶段；飞机结构的校核设计：结构应力形式选择、应力分量新飞机开发中结构设计的一般过程(见下页)、结构设计的一般过程、总体开发方案论证、初步设计、详细设计试制、试飞和设计定型、小批量生产和生产定型、1.2飞机结构设计的原始条件、1。结构设计的主要依据：用户提出的战术技术要求或使用技术要求；平面三面图和理论轮廓图；平面总平面图；重量指数分布和总重量；使用寿命要求；负载和服务环境条件；可维护性要求；生产条件和可制造性要求；其他相关设计标准、规范和标准；2.原始条件；1.飞机结构的外部载荷特性和结构承载要求(集中、分布、冲击型、周期型、热型)外部载荷的历史特性(不同飞行、载荷变化规律)；

6、外部载荷对结构的影响(抖振和颤振)；结构的强度和刚度(静态、动态、热、整体和局部)要求；结构寿命要求；损伤容限要求；经济要求(生产/维护成本)。2、飞机结构的协调关系，各部件的相对位置和相互之间的连接交点的位置(不能改变)；零、构件之间的协调关系在连接尺寸上；各部件或部件的位置和形状与内部装载室相协调；部件或装配结构的外部边界通常与飞机的理论形状相一致；其内部边界可能与内部载荷协调，也可能不协调。3.结构的使用条件(1)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)。)。(2)起降场地条件：水陆两栖；土地：混凝土和土壤跑道。(3)维护条件：现场维护；车站或基地的维护。4.生

7、产条件(1)工艺条件(热加工、冷加工、少量或批量，保证加工精度和性能)(2)加工能力(少量或批量，加工精度和加工性能)(3)装配能力(装配精度、装配数量)(4)生产能力(产量)(5)生产质量保证系统(技术和管理)静态强度设计标准刚度设计标准热强度设计标准疲劳和耐久性设计标准损伤容限设计标准气动弹性设计标准动态强度设计标准， 动态载荷/刚度要求气动弹性的地方，如操纵面和翼尖静态载荷/strong度飞机所有部件的静态载荷/刚度，如加强筋和接头要求变形的地方，如：普通肋、机翼后缘、机械控制系统，1.3飞机结构设计的基本要求，1。 基本要求现代飞机结构追求的目标是：高结构效率(重量轻)、高可靠性、长寿

8、命、高维修性和低寿命成本，以达到高效费比。具体而言，结构设计应满足以下要求：强度、刚度、疲劳、耐久性、损伤容限、可维护性、合理的材料选择、可制造性、低成本设计、重量、防雷、耐腐蚀性、第一、基本要求、第二、基本要求概述(约束条件、边界条件)，以及第一、空气动力学形状要求。在结构设计中，与外部边界(框架结构和蒙皮)相关的结构应确保理论空气动力学形状2的刚度。重量要求应该认识到，重量设计是在满足各种结构性能指标的前提下，使重量最轻。通过优化数学语言，在各种性能指标的约束下，权重目标函数最小。在实际工程设计中，这只是一个令人满意的解决方案(在总体设计中，权重指标分解为各种结构)。3.结构和系统的安全可

9、靠工作需要通过定期维护来保证。良好的维修性和保障性是工程设计的主要因素。具体而言，合理布置分隔平面和各种开口，并在结构内部布置必要的检查和维护通道，以增加结构的开放性和可达性5.成本要求(经济)飞机的主要成本：设计、开发、制造和运营。对于军用飞机来说，成本不应该是第一要求，但重量和性能应该是第一要求。对于民用客机，成本是第一要求。一般来说，气动性能和使用要求是“前提”要求，气动外形、结构和强度及刚度设计技术是“前提”技术。技术要求和技术性能是相互联系和制约的，有些甚至是相互矛盾的，所以我们应该抓住主要矛盾，在良好的设计质量的基础上综合考虑和平衡它们。飞机结构设计思想的演变和发展有四个阶段。1.

10、静态强度设计阶段静态强度设计可以追溯到18世纪的伽利略时代。材料力学是伽利略时代失效力学思想的延伸。20世纪二三十年代，飞机工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(失效载荷是极限承载能力)设计准则，即设计载荷是使用载荷乘以安全系数，失效载荷应大于或等于结构设计载荷：或-设计载荷-使用载荷-极限载荷-安全系数；2.静态和动态强度设计阶段的动态强度设计问题是结构(尤其是薄壁结构)设计准则可以表述为：-最大飞行速度-设计速度-气动弹性临界速度-颤振速度、机翼发散速度和副翼故障速度。疲劳设计一般有以下几种方法：(1)无限寿命设计以无限寿命为疲劳设计准则，要求结构或构

11、件的设计应力水平低于相关的疲劳极限应力。疲劳极限应力通常由实验确定。在应力-寿命(S-N)曲线上，它通常是指定的足够长的循环寿命(例如10e7次)的应力水平。对于需要经历如此长寿命周期的部件，如发动机气缸气门弹簧、长时间频繁运行的铁路车辆车轴等，这种无限寿命设计仍然是一种简单合理的方法。(2)安全寿命设计许多部件在使用中仅承受数万至数十万次载荷循环，或者这些部件通常在低应力水平下工作，因此无限寿命设计(即低设计应力)是不合理的。根据有限寿命要求进行的疲劳设计在工程上称为安全寿命设计，即设计的构件具有足够的安全设计寿命。当然，考虑到疲劳载荷的分散性等因素，安全寿命设计应该有足够的安全储备。(3)

12、损伤安全设计损伤安全设计是由英国空军在20世纪70年代早期开发的。飞机结构通常不允许有大的安全系数，因为安全系数会增加不必要的重量。同时，人们认识到，由于裂缝的存在，安全寿命设计不能完全保证安全。因此，采用以下疲劳设计标准：也就是说，允许使用带有疲劳裂纹的构件，但在这些疲劳裂纹被检测、修复或替换之前，结构不会因裂纹而损坏。这被称为破损安全设计。其设计要点如下：有冗余的负载传输路径；局部开裂后，结构仍具有必要的剩余强度。这种设计往往采用多通道传力系统或在结构中设置分段止裂装置来达到破坏安全的目的。(4)损伤容限设计这种方法是对损伤安全设计的进一步改进。在设计损伤容限时，假设部件中存在裂纹(由制造

13、或疲劳形成)，但是在定期检查之前，这些裂纹是否会扩展到足以导致疲劳损伤的尺寸，可以确保找到它们。为了确保允许的裂纹不会在检查期间扩展而导致结构损坏，部件通常由裂纹扩展缓慢且断裂韧性高的材料制成。美国空军已经建立了损伤容限规范。我们园区的航空工业部也在1985年发布了飞机结构损伤容限设计指南。(5)耐久性设计耐久性设计与损伤容限设计的区别在于损伤容限设计注重确保飞机结构的安全性，重点分析那些条件最危险、尺寸相对较大的裂纹，以防止裂纹扩展到其临界裂纹长度并在使用中造成损伤；然而，耐久性设计注重保证结构的功能和有足够的经济寿命，注重用统计方法分析大量尺寸相对较小的初始裂缝，并检查和控制这些裂缝在使用

14、中可能扩大到大于经济修补裂缝尺寸的百分比。当一个结构使用一定的寿命时，会发生无法经济地修复的大范围损坏，而未能修复可能会导致结构功能问题，因此这种寿命通常被定义为“经济寿命”。这种分析方法试图确定不同使用时间结构中的裂纹尺寸分布。3.静态和动态强度、疲劳安全寿命设计阶段在20世纪50年代，飞机工业受到第二次世界大战的刺激并迅速发展，但出现了意外损坏和疲劳损坏。现代人还发现噪音和其他环境也会造成疲劳损伤。当时飞机发展的几个特点是：延长了飞机的使用寿命；飞机的技术和战术性能得到提高；采用高强度材料；飞机结构强度储备减少；工业技术提高了生产率。经历挫折和失败后，设计者发现有必要提出安全寿命要求-使用

15、寿命-安全寿命-试验寿命-分散系数(一般取4)。上述设计标准主要依靠试验来确保中国的一些关键飞机结构部件仍按此进行设计。现代军用飞机的使用寿命要求60008000飞行小时，民用飞机要求3000060000飞行小时。4.静动态强度、使用寿命、损伤容限和耐久性(包括经济寿命)设计阶段的安全使用寿命设计不能绝对保证安全。发现损伤后的断裂和疲劳裂纹已经很长，提出了损伤安全性和损伤容限设计，科学预测了裂纹的允许长度以满足损伤后结构的安全特性，并增加了维修性设计。损伤容限设计的概念要求在规定的未修复服务期内损伤的增长应控制在一定范围内，受损结构应满足规定的剩余强度要求。设计标准如下：(1)损坏安全结构(某

16、个构件损坏后，剩余结构仍可加载，即构件已损坏且结构安全)-损坏安全剩余强度系数H -检查间隔期(2)慢裂纹扩展结构(适用于不可检测的结构，要求裂纹在整个使用寿命期间不会达到临界裂纹长度、耐久性设计标准：-经济寿命-耐久性试验寿命-分散系数(一般取2)经济寿命：当发生一些损坏时，这是一个不经济的时间限制。结构可靠性设计阶段-结构系统可靠性i -对应于静态强度、动态强度、损伤容限、寿命等。目前，可靠性分析和评估通常在设计后根据静态强度、动态强度、损伤容限/耐久性(或疲劳/损伤容限设计)进行。1.4飞机结构设计的现代理论和先进技术现代设计理论包括结构优化设计、结构抗疲劳设计、结构抗断裂设计和结构可靠性设计先进设计技术主要包括计算机辅助结构分析和计算机辅助设计。结构有限元分析及其在飞机结构设计中的应用。应力和变形分析在结构设计中非常重要。它是分析和