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1、飞行器结构分析与设计,第四讲崔德刚、程小全、何经武2009年2月,讲课材料,第三章 翼面结构分析与设计,3.1 机翼的功用与设计要求3.2 机翼的载荷与内力3.3 机翼主要受力构件及其结构3.4 机翼的结构形式3.5 典型机翼结构的传力分析3.6 后掠翼的结构特点与传力分析3.7 三角翼的结构特点与传力分析3.8 机翼结构形式的确定与结构布置3.9 机翼结构元件设计3.10 翼面开口区结构设计,3.11 尾翼与操纵面结构分析与设计3.12 翼面增升装置,尾翼和附翼结构,机翼结构分析,机翼结构设计,第三章的知识重点,3.1 机翼的功用与设计要求3.2 机翼的载荷与内力3.3 机翼主要受力构件及其
2、结构3.4 机翼的结构形式3.5 典型机翼结构的传力分析3.6 后掠翼的结构特点与传力分析3.7 三角翼的结构特点与传力分析3.8 机翼结构形式的确定与结构布置3.9 机翼结构元件设计3.10 翼面开口区结构设计,3.11 尾翼与操纵面结构分析与设计3.12 翼面增升装置,各种飞机的结构形式差异很大，如何合理布局十分关键,F100,P51,F86,结构布局,第三章 翼面结构分析与设计,3.1 机翼的功用与设计要求,一、机翼的功用,1-骨架翼梁；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,机翼的质量,机翼占飞机机体质量的25%50%；占
3、整个飞机质量的8%15%。机翼占飞机全阻力的30%50%。,机翼的质量参数举例：,二、机翼的设计要求,机翼的设计要求与上述几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。,重量要求：在外形、装载和连接情况已定的条件下，重量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）,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。机翼的气动力设计要求高升阻比，良好的力矩特性。结构设计时，
4、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）,装载、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）,3.2 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
5、作用在机翼的主体和各附翼的表面上。各附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。,2、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。外挂和装载载荷：机翼上通常有发动机、副油箱、外挂武器等外挂载荷，机翼内通常有燃油装载载荷。,二、机翼的边界条件,作为简化模型，当机翼分成两半与机身在其侧边相连时
6、，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。,三、悬臂梁的剪力和弯矩,Q-(Q+dQ)-qdx=0dQ/dx=-q,M+qdx(dx/2)+(Q+dQ)dx-(M+dM)=0 dM/dx=Q,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。,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。,图4-2
7、 机翼的总体内力,四、机翼的内力,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=qae+qcd l/2 机翼半展长,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坐标的直线作为相对轴。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。,3.3 机翼的主要受力构件及其结构,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,二、主要受力元件,1、
8、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3.8 a），此外还有夹芯蒙皮（图3.8 b）,2、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。,加强翼肋除上述作用外，还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。,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。,4、纵墙（腹板）,5、长桁长桁是对蒙皮增强的纵向元件，是纵向骨架中的重
9、要受力元件之一。长桁和翼肋在一起，还对蒙皮起支撑作用。,纵墙的缘条比梁缘条弱得多，墙和腹板都不能承受弯矩，主要用于传递翼面的剪力，与蒙皮组成封闭盒段，以承受扭矩和对蒙皮提供稳定性支持。后墙还有封闭机翼内部容积的作用。,加劲条和加劲板平板受压破坏是高于屈曲应力,加筋条对蒙皮的支持作用,3.4 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。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）,优点
10、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。,梁式,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，蒙皮和加筋条组成受力壁板，承受翼面的主要弯曲和扭转载荷，布置纵墙而不采用缘条面积特别大的翼梁，用于传剪和传扭。是常用的结构形式。,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。
11、安全可靠性好。缺点要结构考虑损伤容限设计。与中翼或机身接合点多，连接复杂。,单块式,3、多腹板、多支柱式（多墙、多支柱式）：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。为便于工艺施工，常常采用、多墙、多支柱式结构。,多墙多支柱结构,与机身的连接形式 一般在根部过渡成多梁式结构与机身相连，或翼盒穿过机身。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，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。,4、混合式：介于梁式、单块
12、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。,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：,两种承载原理不同的蜂窝结构蜂窝板和全高度蜂窝结构,全高度蜂窝结构具有与多墙结构相同的力学特性，适用于高载荷受力部位。蜂窝板结构承受垂直板面的载荷能力强，但承受面内自载荷能力差，适用于机舱地板或梁式结构。,蜂窝夹芯参数描述及承载方式,蜂窝夹芯方向对剪切强度的影响,最大限度提高结构的承载能力
13、受拉面努力提高结构疲劳、断裂许用应力受压面努力提高结构稳定性承载能力满应力结构设计应是许用应力等于工作应力提高结构的稳定性破坏强度可减轻结构重量,飞机结构选型原则,加筋板弹性破坏应力远高于弹性失稳应力。,飞机结构承压的特点,利用过屈曲的结构设计,各种翼面结构的统一格式的优化分析公式,按强度要求机翼结构形式选择 结构载荷参数P(MPa)来描述，P为作用在受力翼盒上的弯曲外载荷与结构特征组合。式中：M为翼根受力盒上承受的弯矩(N.mm);h为该翼盒外型平均高度(mm)；W为受力翼盒宽度(mm);为系数，由下式描述：,结构布局,翼面结构效率曲线,结构实心度（无量纲）N/h结构载荷参数（N/mm）,按稳定性设计各种结构最小重量使用范围,各种翼面结构蒙皮有效结构参数和S值,总 结,机翼设计的基本要求,退 出,第六讲结束,机翼的边界条件示图,
