飞行器结构设计 课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,*,*,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,9/13/2024,1,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； 主要载荷分类； 作用于结构如何分析。,9/13/2024,2,2.1,飞机的外载荷,2.,载荷的参照坐标系：,机体坐标系,9/13/2024,3,2.1,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。,9/13/2024,4,2.1,飞机的外载荷,9/13/2024,5,2.1,飞机的外载荷,9/13/2024,6,2.1,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。,9/13/2024,7,2.1,飞机的外载荷,达朗倍尔动静分析（刚体动平衡）,9/13/2024,8,2.1,飞机的外载荷,飞机的外载图像演示,9/13/2024,9,2.2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。,9/13/2024,10,2.2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。,9/13/2024,11,2.2典型飞行姿态和载荷系数,分析该曲线运动中， 的特性：, 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。, 由此看来，对结构设计是一个重要的无量纲载荷系数。,9/13/2024,12,2.2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,： 对重力视可不见；, 千万不能计及惯性力；, 机体坐标系为正向；, 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）,9/13/2024,13,2.2典型飞行姿态和载荷系数,(,2) 物理意义：, 表示了作用于飞机重心处的外力与飞机重力,的比值关系；, 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）,飞机的质量力应当是飞机的各部分质量力之和：,9/13/2024,14,2.2典型飞行姿态和载荷系数,飞机中的某集中质量,G,I,=m,i,g,，作用在结构上的质量力为：,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：, n,z,= 0（飞机展向变速平移难）；,a,z,一般较小，在大机动飞行中可能出现。,9/13/2024,15,2.2典型飞行姿态和载荷系数,2、 实用意义, 作为飞机结构设计时重要原始载荷系数；,n,的大小实际反映了飞机的机动性能；, 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。, 可通过在飞机重心处安装加速度计来获取。,9/13/2024,16,2.2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),9/13/2024,17,2.2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）,9/13/2024,18,2.2典型飞行姿态和载荷系数,9/13/2024,19,2.2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),9/13/2024,20,2.2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?,9/13/2024,21,2.2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),9/13/2024,22,2.2典型飞行姿态和载荷系数,运动分析:,旋转+平移,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。,9/13/2024,23,2.2典型飞行姿态和载荷系数,.,平移速度载荷系数(质点)(外载分析法),.绕中心转动的载荷系数(质量力分析法),Note,:, 表示单位长度上的重力, 集中装载物(发动机,机载设备), 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,Y,tm,y,x,i,N,iy,N,iy,x,9/13/2024,24,2.2典型飞行姿态和载荷系数,6、着陆时的过载,9/13/2024,25,2.2典型飞行姿态和载荷系数,这里的过载定义与空中飞行情况不同。,当空中匀速飞行时,n,y,=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,n,y,=,1,=P,lg,/G,Note:,i.,这两种情况下的n,y,=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。,9/13/2024,26,2.2典型飞行姿态和载荷系数,ii.,工程上,常称平飞时 n,y,=1 为平飞的 1,g,(,g,是以重力为单位)；,停机时 n,y,=1 为停机的1,g,9/13/2024,27,2.2典型飞行姿态和载荷系数,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-V,y,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:,9/13/2024,28,2.2典型飞行姿态和载荷系数, 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:, 这个过载不允许过大,一般n,y,=34 (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n,x,或n,z,.,9/13/2024,29,2.2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, 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。,. 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。,9/13/2024,30,2.2典型飞行姿态和载荷系数,. 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。,.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。,.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。,9/13/2024,31,2.2典型飞行姿态和载荷系数, 人对过载的反映：,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-38,民机则无必要。, 提高人抗过载的能力：抗过载服。, 规范中的过载系数可供选择(飞行包线上给定）,。,9/13/2024,32,2.3,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。,9/13/2024,33,2.3,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；,9/13/2024,34,2.3,复杂载荷情况,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；,发动机动力装置的热反复载荷；,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；,其他,：机翼尾流对尾翼的周期性作用,t,p,9/13/2024,35,2.3,复杂载荷情况,作 用：, 设备工作的影响；, 人员的不适；, 结构疲劳导致缺陷生长成裂纹并不断发展，最终导致断裂, 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。,9/13/2024,36,2.3,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。,9/13/2024,37,2.3,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3000060000飞行小时,军机30008000飞行小时,日历寿命2025年,地面停放的影响主要是环境。,1.环境谱的编制步骤：, 确定飞机使用环境种类（根据飞机的特定用途和使用方法）, 根据战、技要求或使用要求，确定飞机在不同地域服役时间, 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；, 获取环境数据；, 编制各类环境谱。,9/13/2024,38,2.3,复杂载荷情况,2、温度效应及其载荷,来 源：, 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：, 发动机燃烧及其尾部热气流对结构的作用。,作 用：, 一般降低结构材料的强、刚度；, 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。, 热的蠕变效应。,t,9/13/2024,39,2.4,飞机设计规范,飞机设计规范简介：, 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., 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。, 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。, 设计规范与设计手册是飞机设计人员的基本工具。,9/13/2024,40,2.4,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）, 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）, 用机动性分,机动类（歼击机，强击机及相应的教练机） ny=-38,半机动类（战术轰炸机，多用途飞机） ny=-24、,非机动类（战略轰炸机，运输机） ny=-13,9/13/2024,41,2.4,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。,9/13/2024,42,2.4,飞机设计规范,2、设计重量, 最小飞行重量；空机重5燃油最少乘员, 最大设计重量；携带最大机内及机外装载, 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, 着陆设计重量。最大设计重量50机内及机外燃油,9/13/2024,43,2.4,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（n,y,v,dl,图）。,ii. 典型飞行状况的飞行包线,. 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。,9/13/2024,44,2.4,飞机设计规范,4、安全系数：f,i. 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,1.25,ii.,静强度设计准则：,9/13/2024,45,2.4,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）。,9/13/2024,46,2.5,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。,9/13/2024,47,2.5,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,9/13/2024,48,2.5,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,（CCAR23）,运输类飞机适航标准（CCAR25）,一般类旋翼航空器适航标准（CCAR27）,9/13/2024,49,2.5,民用飞机适航性,适航标准的内容,1) 对飞行性能、操稳特性；飞行载荷、地面载荷、操纵系统载,荷、应急着陆情况等都作了详细规定；,2)对飞机结构、操纵面、操纵系统、起落架及各种设施（载人,和装货设施、应急设施、通风和加温、增压设施、防火设,施等）的设计与构造要求；,3)对动力装置的燃油系统、滑油系统、冷却、进气系统、排,气系统、动力装置的防火等提出了具体指标及要求；,4)对设备，包括仪表安装、电气系统和设备、警告装置，安全,设备的规定，并提出使用限制要求。,9/13/2024,50,2.5,民用飞机适航性,9/13/2024,51,载荷的参照坐标系,9/13/2024,52,飞机的外载图像演示,9/13/2024,53,俯冲拉起,9/13/2024,54,等速水平盘旋 （非对称机动飞行）,9/13/2024,55,垂直突风 (在航 迹运动坐标系中分析),9/13/2024,56,飞机转动(升降)时的过载 (刚体运动分析),9/13/2024,57,着陆时的过载,9/13/2024,58,