机翼结构课件

第第2 2章章 飞机结构基本传力系统飞机结构基本传力系统第第2章章飞机结构基本传力系统飞机结构基本传力系统 当支承在某基础上的一个结构受有某种当支承在某基础上的一个结构受有某种外载荷时，分析这些外载如何通过结构的各外载荷时，分析这些外载如何通过结构的各个构件传递给支承它的基础，称之为结构的个构件传递给支承它的基础，称之为结构的传力分析。传力分析。传力分析的含义传力分析的含义为什么要进行传力分析呢为什么要进行传力分析呢?由于传力过程的重要性及在传力中各元由于传力过程的重要性及在传力中各元件受力的复杂性，所以必须对传力进行仔细件受力的复杂性，所以必须对传力进行仔细的分析。理解飞机结构中各元件的受力原理和的分析。理解飞机结构中各元件的受力原理和应用，为合理进行飞机结构设计打下基础。应用，为合理进行飞机结构设计打下基础。当支承在某基础上的一个结构受有某种传力分析的含义为当支承在某基础上的一个结构受有某种传力分析的含义为机翼结构分析机翼结构分析第第2 2章章 飞机结构基本传力系统飞机结构基本传力系统机身结构分析机身结构分析机翼结构分析第机翼结构分析第2章章飞机结构基本传力系统机身结构分析飞机结构基本传力系统机身结构分析2.1 2.1 机翼结构分析机翼结构分析一、机翼构造元件一、机翼构造元件二、机翼构造型式二、机翼构造型式(受力型式受力型式)三、机翼在载荷作用下的承载情况三、机翼在载荷作用下的承载情况四、四、梁式梁式机翼结构上的总体力传递机翼结构上的总体力传递五、单块式五、单块式机翼的传力分析机翼的传力分析六、后掠机翼的传力分析六、后掠机翼的传力分析七、三角机翼的传力分析七、三角机翼的传力分析0 0、引言、引言2.1机翼结构分析一、机翼构造元件二、机翼构造型式机翼结构分析一、机翼构造元件二、机翼构造型式(受力型受力型0 0、引言、引言 机翼是一个薄壁盒段，即当机翼受载时，一般机翼是一个薄壁盒段，即当机翼受载时，一般Y Y不在其刚不在其刚心上，所以有垂直向上的趋势，且有弯和转动的趋势。其所心上，所以有垂直向上的趋势，且有弯和转动的趋势。其所以没有动，是因为机身限制了它，也即提供了约束（提供了以没有动，是因为机身限制了它，也即提供了约束（提供了支反力）。所以可认为机身是机翼的支持，机翼把载荷传给支反力）。所以可认为机身是机翼的支持，机翼把载荷传给机身，最后达到总体平衡。机身，最后达到总体平衡。总体力总体力 Y Y方向：方向：Qy Mx Mt Qy Mx Mt X X方向：方向：Qx My MtQx My Mt 0、引言、引言机翼是一个薄壁盒段，即当机翼受载时，一机翼是一个薄壁盒段，即当机翼受载时，一 但但Mx My Mx My，所以一般只讨论，所以一般只讨论Q(Qy)Q(Qy)、M(Mx)M(Mx)、MtMt，在承受和传递，在承受和传递Q(Qy)Q(Qy)、M(Mx)M(Mx)、MtMt中起作用的受力中起作用的受力的元件叫做参加总体受力（研究重点）；只承受局的元件叫做参加总体受力（研究重点）；只承受局部气动载荷的为非主要构件。部气动载荷的为非主要构件。但但MxMy，所以一般只讨论，所以一般只讨论Q(Qy)、M(一、机翼构造元件一、机翼构造元件一、机翼构造元件一、机翼构造元件纵向构件：梁，桁条，纵墙纵向构件：梁，桁条，纵墙纵向构件：梁，桁条，纵墙纵向构件：梁，桁条，纵墙横向构件：普通翼肋，加强翼肋横向构件：普通翼肋，加强翼肋横向构件：普通翼肋，加强翼肋横向构件：普通翼肋，加强翼肋 蒙皮蒙皮蒙皮蒙皮 接头接头接头接头 典型元件总结典型元件总结(1)(1)纵纵:翼梁、翼梁、长桁长桁 、墙、墙(腹板腹板)(2)(2)横横:翼肋翼肋(如加强肋如加强肋 普通肋普通肋)(3)(3)蒙皮蒙皮 它们的作用它们的作用?典型元件总结它们的作用典型元件总结它们的作用?蒙皮蒙皮:承受局部空气动力，形成和维持机翼外形，并承受承受局部空气动力，形成和维持机翼外形，并承受扭矩，有些机翼蒙皮还承受弯矩。扭矩，有些机翼蒙皮还承受弯矩。长桁长桁:其主要功用是：第一是支持蒙皮，防止蒙皮因受局其主要功用是：第一是支持蒙皮，防止蒙皮因受局部空气动力而产生变形过大；第二是把蒙皮传来的气部空气动力而产生变形过大；第二是把蒙皮传来的气动力传给翼肋：第三是同蒙皮一起承受由弯矩而产生动力传给翼肋：第三是同蒙皮一起承受由弯矩而产生的拉、压力。的拉、压力。翼肋翼肋:翼肋，分为普通翼肋和加强翼肋。普通翼肋用来维翼肋，分为普通翼肋和加强翼肋。普通翼肋用来维持翼剖面形状，将蒙皮上的空气动力传到其它承力构持翼剖面形状，将蒙皮上的空气动力传到其它承力构件上去，并支持桁条和蒙皮。加强翼肋除具有普通翼件上去，并支持桁条和蒙皮。加强翼肋除具有普通翼肋的功用外，还作为机翼结构的局部加强件，承受较肋的功用外，还作为机翼结构的局部加强件，承受较大的集中载荷或悬挂部件。大的集中载荷或悬挂部件。典型元件的作用典型元件的作用:蒙皮蒙皮:承受局部空气动力，形成和维持机翼外形，并承受扭矩，有些承受局部空气动力，形成和维持机翼外形，并承受扭矩，有些翼梁翼梁:翼梁，一般由缘条和腹板等组成。主要功用是承翼梁，一般由缘条和腹板等组成。主要功用是承受弯矩和剪力。梁的上下缘条承受由弯矩引起的轴向受弯矩和剪力。梁的上下缘条承受由弯矩引起的轴向力力N N拉、拉、N N压。剪力则主要由腹板承受。压。剪力则主要由腹板承受。纵墙纵墙(腹板腹板):):纵墙，相当于翼梁，但缘条很弱，甚至没纵墙，相当于翼梁，但缘条很弱，甚至没有缘条因此纵墙能承受剪力，还可和蒙皮组成有缘条因此纵墙能承受剪力，还可和蒙皮组成封闭封闭盒段盒段承受扭矩。承受扭矩。接头接头:用来连接机翼与机身，把机翼上的力传递到机身用来连接机翼与机身，把机翼上的力传递到机身隔框上。接头分为固接和铰接两种，固接的接头，接隔框上。接头分为固接和铰接两种，固接的接头，接点既不可移动，也不可转动；因此，它既能传递剪力点既不可移动，也不可转动；因此，它既能传递剪力又能传递弯矩。铰接不可移动、但可以旋转，只传剪又能传递弯矩。铰接不可移动、但可以旋转，只传剪力，不传弯矩。力，不传弯矩。翼梁翼梁:翼梁，一般由缘条和腹板等组成。主要功用是承受弯矩和剪力翼梁，一般由缘条和腹板等组成。主要功用是承受弯矩和剪力二、机翼构造型式二、机翼构造型式(受力型式受力型式)所所谓谓“受受力力型型式式”-是是指指结结构构中中起起主主要要作作用用的的元元件件的的组组成成形形式式，不不同同的的受受力力型型式式,表表征征了了不不同同的的总总体体受受力力特点。特点。1.1.梁式机翼：梁式机翼：梁强，梁强，少长桁，少长桁，薄蒙皮。薄蒙皮。特点特点：结构简单，抗弯：结构简单，抗弯集中在翼梁缘条上，集中在翼梁缘条上，便于蒙皮大开口，便于蒙皮大开口，接头连接简单。但接头连接简单。但蒙皮未能发挥承弯蒙皮未能发挥承弯作用。作用。二、机翼构造型式二、机翼构造型式(受力型式受力型式)特点：结构简单，抗弯集中在翼梁缘特点：结构简单，抗弯集中在翼梁缘2.2.单块式机翼：梁弱，多长单块式机翼：梁弱，多长桁，厚蒙皮桁，厚蒙皮特点：特点：蒙皮在气动力作用下变形小，抗弯、抗扭及刚蒙皮在气动力作用下变形小，抗弯、抗扭及刚度好，安全可靠性高。但结构复杂，接头多，大度好，安全可靠性高。但结构复杂，接头多，大开口许用较强的加强件补偿承弯能力。开口许用较强的加强件补偿承弯能力。2.单块式机翼：梁弱，多长桁，厚蒙皮特点：蒙皮在气动力作用下单块式机翼：梁弱，多长桁，厚蒙皮特点：蒙皮在气动力作用下 3.3.多墙式机翼：梁弱，多纵墙，厚蒙皮。多墙式机翼：梁弱，多纵墙，厚蒙皮。特点：特点：有较高的应力水平和结构效率，刚度大，受力有较高的应力水平和结构效率，刚度大，受力分散，破损安全特性好，但不易大开口，连接复分散，破损安全特性好，但不易大开口，连接复杂。杂。3.多墙式机翼：梁弱，多纵墙，厚蒙皮。特点：有较高的应力多墙式机翼：梁弱，多纵墙，厚蒙皮。特点：有较高的应力 受力型式总结受力型式总结 1.1.梁式梁式:强梁，薄蒙皮，弱长桁，强梁，薄蒙皮，弱长桁，常分左右机翼常分左右机翼-用几个集中接头相连。用几个集中接头相连。2.2.单块式单块式:强桁，弱梁，较厚蒙皮，强桁，弱梁，较厚蒙皮，左右机翼一般连成整体穿过机身，左右机翼一般连成整体穿过机身，但机翼本身可能分成几段。但机翼本身可能分成几段。3.3.多墙式多墙式:厚蒙皮，多墙，少肋，无长桁，厚蒙皮，多墙，少肋，无长桁，左右翼连成整体左右翼连成整体,贯穿机身。贯穿机身。受力型式总结受力型式总结机翼结构机翼结构:波音飞机结构波音飞机结构机翼结构机翼结构:波音飞机结构波音飞机结构机翼结构机翼结构:歼歼7 7飞机机翼飞机机翼机翼结构机翼结构:歼歼7飞机机翼飞机机翼机翼结构机翼结构:U2:U2飞机机翼飞机机翼机翼结构机翼结构:U2飞机机翼飞机机翼机翼结构机翼结构:机翼机身接头机翼机身接头机翼结构机翼结构:机翼机身接头机翼机身接头尾翼结构尾翼结构:歼歼6 6平尾平尾尾翼结构尾翼结构:歼歼6平尾平尾尾翼结构尾翼结构:RF-101:RF-101平尾平尾尾翼结构尾翼结构:RF-101平尾平尾机翼剖面的机翼剖面的“三心三心”和一点和一点重心：重心：机翼剖面上，重力与弦线交点。机翼剖面上，重力与弦线交点。刚心：刚心：当剪力作用于该点时，机翼只弯不扭，或机翼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。刚心位置约在受扭时，将绕其旋转。刚心位置约在38384040。焦点：焦点：也称为空气动力中心，焦点可看为在迎角变化也称为空气动力中心，焦点可看为在迎角变化时，升力增量的作用点。约在时，升力增量的作用点。约在2828处。处。压心：压心：空气动力空气动力R R与机翼弦线的交点，即空气动力合力与机翼弦线的交点，即空气动力合力作用点。它的位置随着作用点。它的位置随着角而变化。角而变化。三、机翼在载荷作用下的承载情况三、机翼在载荷作用下的承载情况机翼剖面的机翼剖面的“三心三心”和一点和一点重心：机翼剖面上，重力与弦线交点。重心：机翼剖面上，重力与弦线交点。分布气动力作用在蒙皮上分布气动力作用在蒙皮上谁支持蒙皮？谁支持蒙皮？分布气动力作用在蒙皮上分布气动力作用在蒙皮上蒙皮蒙皮：由翼肋和长桁支持。：由翼肋和长桁支持。蒙皮蒙皮：由翼肋和长桁支持。：由翼肋和长桁支持。分布气动力作用在翼肋和长桁分布气动力作用在翼肋和长桁谁支持翼肋和长桁？谁支持翼肋和长桁？分布气动力作用在翼肋和长桁分布气动力作用在翼肋和长桁长桁长桁:由翼肋支持。由翼肋支持。长桁长桁:由翼肋支持。由翼肋支持。翼肋翼肋:由翼肋后方的机翼盒段支持。由翼肋后方的机翼盒段支持。翼肋翼肋:由翼肋后方的机翼盒段支持。由翼肋后方的机翼盒段支持。集中力（X向、Y向、Z向）例副翼接头载荷：由翼肋和加强翼梁承受并扩散。集中力（集中力（X向、向、Y向、向、Z向）向）例副翼接头载荷例副翼接头载荷：总结：总结：分布气动力作用在蒙皮上（谁支持蒙皮？）分布气动力作用在翼肋和长桁 （谁支持翼肋和长桁？）蒙皮：由翼肋和长桁支持。长桁:由翼肋支持。翼肋:由翼肋后方的机翼盒段支持。集中力（X向、Y向、Z向）例副翼接头载荷：由翼肋和加强翼梁承受并扩散。总结：分布气动力作用在蒙皮上（谁支持蒙皮？）总结：分布气动力作用在蒙皮上（谁支持蒙皮？）机翼结构上的总体力传递机翼结构上的总体力传递总体力：剪力、弯矩、扭矩。总体力：剪力、弯矩、扭矩。作用在机翼横剖面上的分布空气动力可简作用在机翼横剖面上的分布空气动力可简化为作用在压力中心处的一个合力，并且和作化为作用在压力中心处的一个合力，并且和作用的集中力一起等效为作用在刚心上的一个集用的集中力一起等效为作用在刚心上的一个集中剪力、一个扭矩和一个中剪力、一个扭矩和一个弯矩。弯矩。机翼结构上的总体力传递机翼结构上的总体力传递弯矩、剪力和扭矩由那些元件承受？弯矩、剪力和扭矩由那些元件承受？如何传递？如何传递？弯矩、剪力和扭矩由那些元件承弯矩、剪力和扭矩由那些元件承剪力剪力:由承剪力元件翼梁承担。由承剪力元件翼梁承担。剪力剪力:由承剪力元件翼梁承担。由承剪力元件翼梁承担。扭矩：由承扭矩元件翼盒承担。扭矩：由承扭矩元件翼盒承担。扭矩：由承扭矩元件翼盒承担。扭矩：由承扭矩元件翼盒承担。弯矩：机翼结构不同承载元件不同。弯矩：机翼结构不同承载元件不同。弯矩：机翼结构不同承载元件不同。弯矩：机翼结构不同承载元件不同。四、四、梁式梁式机翼结构上的总体力传递机翼结构上的总体力传递四、四、梁式机翼结构上的总体力传递梁式机翼结构上的总体力传递1.气动力在梁式机翼的翼肋上的传递气动力在梁式机翼的翼肋上的传递（翼肋的力平衡图）（翼肋的力平衡图）1.气动力在梁式机翼的翼肋上的传递气动力在梁式机翼的翼肋上的传递机翼结构课件机翼结构课件2.总体剪力在梁式机翼的上的传递总体剪力在梁式机翼的上的传递（受力元件的力平衡图）（受力元件的力平衡图）2.总体剪力在梁式机翼的总体剪力在梁式机翼的机翼结构课件机翼结构课件3.总体弯矩在梁式机翼的上的传递总体弯矩在梁式机翼的上的传递由翼梁承担。由翼梁承担。3.总体弯矩在梁式机翼的上的传递总体弯矩在梁式机翼的上的传递4.总体扭矩在梁式机翼的上的传递总体扭矩在梁式机翼的上的传递由翼盒承担。由翼盒承担。4.总体扭矩在梁式机翼的上的传递总体扭矩在梁式机翼的上的传递 梁式机翼的总体扭矩梁式机翼的总体扭矩由翼盒由翼盒传递到机翼根传递到机翼根 部由机翼根肋传给机翼机身接头。部由机翼根肋传给机翼机身接头。梁式机翼的总体扭矩由翼盒传递到机翼根梁式机翼的总体扭矩由翼盒传递到机翼根 5.5.机翼上集中力的传递机翼上集中力的传递集中力来源集中力来源:副翼副翼 襟翼襟翼 机翼挂架等连接机翼挂架等连接接头传来。接头传来。机翼结构机翼结构:薄壁结构薄壁结构,受集中力的能力极差。受集中力的能力极差。解决办法解决办法:集中力作用处布置构件扩散。集中力作用处布置构件扩散。5.机翼上集中力的传递机翼上集中力的传递集中力来源集中力来源:向上集中力向上集中力P P作用下作用下:向上运动由梁腹板提供支反力向上运动由梁腹板提供支反力限制限制;转动由梁腹板蒙皮提供支反剪流限制。转动由梁腹板蒙皮提供支反剪流限制。加强肋内力图见右图加强肋内力图见右图 受力特点受力特点:弯矩剪力往往较大弯矩剪力往往较大 结构特点结构特点:肋腹板缘条比较强肋腹板缘条比较强;与翼梁蒙皮的连接也比较强。与翼梁蒙皮的连接也比较强。向上集中力向上集中力P作用下作用下:向上运动由梁腹板提供支反力限制向上运动由梁腹板提供支反力限制;转动转动举例举例:加强肋传力分析加强肋传力分析前梁后梁BHP设:H=1,B=4,前梁刚度为3,后梁刚度为1问题:1.是否仅后梁腹板提供支反剪力?2.加强肋是否可简化为双支点梁?举例举例:加强肋传力分析前梁后梁加强肋传力分析前梁后梁BHP设设:解解:将将P移到刚心得移到刚心得P=PMt=P*3R前前=3/4PR后后=1/4PPqt=3P214=3/8PRt前=3/8P1Rt后=3/8P1R前=3/4P-3/8P=3/8PR后=1/4P+3/8P=5/8P下图所示两种受力模型的传力路线相同吗?Pqt=3P214=3/8PRt前前=3/8P1Rt结论结论:1.1.前梁上有载荷，也即一般不能抵消，而是会使盒段前梁上有载荷，也即一般不能抵消，而是会使盒段扭扭!P!P力不是全部由后梁传往根部，而是会在盒段上整力不是全部由后梁传往根部，而是会在盒段上整 个加载。个加载。2.2.双梁式不是双支点简支梁双梁式不是双支点简支梁!加强肋是由后盒段周缘加强肋是由后盒段周缘连接的。连接的。3.3.传集中力时，要通过某些加强构件把它转化为适宜传集中力时，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于机翼主要受力构件(盒式梁盒式梁)所宜承受的各种分散力先所宜承受的各种分散力先扩散，再传给主盒段，最后传给机身。扩散，再传给主盒段，最后传给机身。结论结论:1.前梁上有载荷，也即一般不能抵消，而是会使盒段扭前梁上有载荷，也即一般不能抵消，而是会使盒段扭 结构特点结构特点:梁较弱或只有墙；蒙皮较厚（梁较弱或只有墙；蒙皮较厚（t3t3）；）；长桁多且强。长桁多且强。受力特点受力特点:由梁缘条、长桁和蒙皮组成的壁板承弯，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。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。皮和腹板。五、单块式五、单块式机翼的传力分析机翼的传力分析结构特点结构特点:梁较弱或只有墙；蒙皮较厚（梁较弱或只有墙；蒙皮较厚（t3）；五、单块式）；五、单块式机翼结构课件机翼结构课件机翼结构课件机翼结构课件单块式机翼的气动载荷是如何在翼肋上传递的？单块式机翼的气动载荷是如何在翼肋上传递的？请观看动画单块式机翼的气动载荷是如何在翼肋上传递的？单块式机翼的气动载荷是如何在翼肋上传递的？机翼结构课件机翼结构课件单块式机翼的载荷是如何传递的？单块式机翼的载荷是如何传递的？请观看动画单块式机翼的载荷是如何传递的？单块式机翼的载荷是如何传递的？机翼结构课件机翼结构课件 剪力传递：剪力传递：因长桁、蒙皮较强，承轴向正应力能力大，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）梁腹板受剪时，产生的轴向剪流（将形成弯矩）由梁橼条，长桁、蒙皮组成的壁板承受。由梁橼条，长桁、蒙皮组成的壁板承受。传递过程传递过程：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。腹板剪流梁橼条蒙皮（受剪）第一长桁假定承受正应力能力折算到长桁蒙皮蒙皮第二长桁剪力传递：剪力传递：因长桁、蒙皮较强，承轴向正应力能力大，橼条、长因长桁、蒙皮较强，承轴向正应力能力大，橼条、长各基本元件（指受总体力）可能发生什么破坏形式 1.梁缘条梁缘条 拉坏拉坏 压压 压坏压坏 失稳失稳 局部局部:主要与各板的支持情况及主要与各板的支持情况及 b/t 有关有关 总体总体:主要与杆长主要与杆长L与与J有关有关,支持情况支持情况 (两个平面支持两个平面支持,一般不易总体失稳一般不易总体失稳)2.桁条桁条:完全同上完全同上,只是因没有腹板支持易总体失稳。只是因没有腹板支持易总体失稳。3.蒙皮、腹板蒙皮、腹板:剪坏剪坏,剪切失稳与剪切失稳与a/b有关有关,与支持情况有关与支持情况有关 此时翼肋长桁又是它的支持。此时翼肋长桁又是它的支持。机翼结构课件机翼结构课件六、后掠机翼的传力分析六、后掠机翼的传力分析 刚度特点：刚度特点：因为因为v、c，更细、长、薄，所以弯刚、扭刚均比，更细、长、薄，所以弯刚、扭刚均比 直机翼差。直机翼差。变形特点：变形特点：弯曲弯曲附加的扭转变形附加的扭转变形副翼反效加剧副翼反效加剧 v，要求总刚和局部刚度更高，所以刚度强度与重，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。量的矛盾更突出，特别是刚度。用单块式，但常不易带中央翼，所以出现混合用单块式，但常不易带中央翼，所以出现混合 式。式。(中机身容积紧张；或根部壁板有开口：如起落架中机身容积紧张；或根部壁板有开口：如起落架 舱门、机关炮）舱门、机关炮）受力特点：受力特点：三角区的存在，导致三角区的存在，导致“后掠效应后掠效应”机翼后掠时，一般翼肋仍垂直于梁（或墙）的居多。机翼后掠时，一般翼肋仍垂直于梁（或墙）的居多。此时外段的情况与直机翼相同；不同之处：根部出此时外段的情况与直机翼相同；不同之处：根部出 现三角区现三角区后掠效应。后掠效应。六、后掠机翼的传力分析六、后掠机翼的传力分析机翼结构课件机翼结构课件04/26/0520七、三角机翼的传力分析七、三角机翼的传力分析04/26/0520七、三角机翼的传力分析七、三角机翼的传力分析04/26/052104/26/0521