第1章飞机结构及其特点

第1章飞机结构及其特点徐岩南京航空航天大学航空宇航制造工程系飞行器制造技术基础本章内容§1.1飞机结构及组成§1.2机翼结构形式§1.3机身结构形式§1.4尾翼结构形式§1.5飞机制造工艺的特点§1.1飞机结构及组成主要由机体、飞机操纵系统、飞机动力装置和机载设备等部分组成，其中机体包括机翼、机身及尾翼等部件，构成飞机的主体结构。§1.1飞机结构及组成波音747宽体客机机翼一般是不对称的，上表面比较凸，而下表面比较平，流过机翼上表面的气流流速较快，而流过机翼下表面的气流正好相反。根据流体力学的基本原理，流动慢的大气压强较大，而流动快的大气压强较小，这样机翼下表面的压强就比上表面的压强高，换一句话说，就是大气施加与机翼下表面的压力(方向向上)比施加于机翼上表面的压力(方向向下)大，二者的压力差便形成了飞机的升力。§1.2机翼结构形式§1.2机翼结构形式机翼是飞机产生升力和滚转操纵力矩的主要部件，同时也是现代飞机存储燃油的地方。机翼作为飞机的主要气动面，是主要的承受气动载荷部件，其结构高度低，承载大。机翼通常有以下气动布局形式：平直翼、梯形翼、三角翼、后掠翼、边条翼、前掠翼、变后掠翼和菱形翼等。§1.2.1机翼的基本组成机翼重量一般占全机重量的8%－15%，机翼结构重量占机翼重量的30%－50%。机翼一般由机翼主盒、襟翼、扰流片、副翼、前缘襟翼、发动机吊挂等部分组成。§1.2.1机翼的基本组成§1.2.1机翼的基本组成机翼结构属薄壁型结构形式，构造上主要由蒙皮和骨架结构组成。机翼的基本结构元件是由纵向骨架、横向骨架以及蒙皮和接头等组成。纵向骨架——沿翼展方向安置的构件，包括梁、纵樯和桁条。横向骨架——沿翼弦方向安置的构件。主要包括普通翼肋和加强翼肋。（1）蒙皮、（2）桁条、（3）翼梁、（4）纵墙、（5）翼肋（1）蒙皮蒙皮的直接功用是保持机翼外形和承载，用粘接剂或铆钉固定于骨架上，形成机翼的气动力外形。气动载荷直接作用在蒙皮上，蒙皮将作用在上面的局部气动力传给结构骨架。在总体承载时，蒙皮和翼梁或翼墙的腹板组合在一起，形成封闭的盒式薄壁结构承受翼面扭矩，与长桁一起形成壁板承受翼面弯矩引起的轴力。根据蒙皮参与受力的程度可分两类：一类只能承受气动力载荷，有布质蒙皮、层板蒙皮和薄金属板蒙皮，早期的低速飞机广泛使用。另一类不仅可以承受气动力载荷，而且可在不同程度上承受弯曲、剪切和扭转等载荷，有铝合金蒙皮，通常在马赫数小于2.5的飞机上采用；钛合金或不锈钢蒙皮，通常在高温区和马赫数大于2.5的飞机上采用。（1）蒙皮结构最简单又广泛使用的是硬铝蒙皮。蒙皮和桁条组成的壁板有组合式或整体式。某些结构形式（如多墙式蒙皮）的蒙皮很厚，可从几毫米到十几毫米，常做成整体壁板形式，这时，蒙皮将成为最主要的、甚至是惟一的承受弯矩的受力结构。整体壁板可以减少连接件的数目，提高翼面整体油箱的密封性，可在保证足够强度和刚度条件下得到轻的光滑翼面。（1）蒙皮除了整体壁板外，近来夹芯蒙皮也得到推广。夹芯蒙皮由两层薄金属板或复合材料层板与轻质疏松或蜂窝结构夹芯互相连接而成。夹芯蒙皮可以降低翼面结构质量，提高翼面刚度和表面品质（无铆缝），并具有良好的隔热、隔音、防震、抵抗裂纹及其他损伤扩展能力。F15尾翼和方向舵蒙皮是全厚度铝夹芯和硼-环氧复合材料面板构成的蜂窝壁板。前、后缘为全铝蜂窝结构。（2）桁条桁条（也称长桁）是纵向较为细长的杆件，与蒙皮相连，对蒙皮起支持作用，一般还与翼肋相连，受翼肋支持。桁条是纵向骨架中的重要受力构件之一，承受翼面弯矩引起的轴向力和局部气动力引起的剪力，这些力的大小取决于翼面的结构形式并决定桁条横截面的形状和面积。蒙皮传来的力桁条翼肋传来的力翼肋蒙皮传来的力桁条翼肋桁条翼肋蒙皮蒙皮传来的力（2）桁条桁条按截面形状分有开式和闭式；按制造方法分有板弯桁条和挤压桁条。板弯开式桁条由板材制造，容易弯曲，与蒙皮贴合好，得到翼面光滑，容易与蒙皮及其它构件固接；板弯闭式桁条可提高型材和蒙皮压缩临界应力。挤压型材比板弯型材具有较厚的腹板，受力临界应力较高，但与蒙皮（特别是弯度大的蒙皮）难以固接。(a)板弯型材(b)挤压型材（3）翼梁翼梁由梁的腹板和缘条（或称凸缘）组成，大多在根部与中翼段或与机身固接，剖面呈工字形或槽形。翼梁是单纯的受力件，缘条承受由弯矩M引起的拉压轴力。由支柱加固的腹板承受剪力并能承受由扭矩引起的剪流，使翼面周边形成闭室并在这两种情况下受剪。在有的结构形式中，它是翼面主要的纵向受力件，承受翼面全部或大部分弯矩。整体式翼梁：1.机翼与机身接头的耳片；2.挫修垫板；3.固定座（1）构架式翼梁（2）组合式梁（3）整体锻造梁（4）纵墙纵墙的构造与翼梁相似，但缘条比梁缘条弱得多，而且不与机身相连，其长度有时仅为翼展的一部分。纵墙通常布置在机翼的前后缘部分，与上下蒙皮相连，形成封闭盒段，承受扭矩，纵墙一般都不能承受弯矩。靠后缘的纵墙还可以悬挂襟翼和副翼。纵墙还起到对蒙皮的支持，以提高蒙皮的屈曲承载能力。通常腹板设有减轻孔，为了提高临界应力，腹板用支持型材加强。后墙则还有封闭翼面内部容积的作用。（5）翼肋翼肋分为普通翼肋和加强翼肋。普通翼肋构造上的功用是维持机翼剖面所需的形状，并将局部气动载荷从蒙皮和桁条传递到翼梁和蒙皮上。一般它与蒙皮、长桁相连，翼面受气动载荷时，它以自身平面内的刚度向蒙皮、长桁提供垂直方向的支持。同时，翼肋又沿周边支持在蒙皮和梁（或墙）的腹板上，在翼肋受载时，由蒙皮、腹板向翼肋提供各自平面内的支承剪流。（5）翼肋加强翼肋主要用于承受固定在翼面上的部件（起落架、发动机、副翼及翼面其他活动部分悬挂接头）的集中力和力矩，并将它们传递转化为分散力传给蒙皮和翼梁、纵墙的腹板。结构不连续的地方也要布置加强肋，用于重新分配在纵向构件轴线转折处壁板和腹板之间的力，或在翼面结合处和大开口边界上将扭矩转变为力偶。加强肋有很大的横截面积，挤压型材制成的缘条、腹板不开口，用支撑角材加强，翼肋上的桁条重新对接，不需要切断翼肋缘条。有时这样的翼肋由锻件制造，或采用桁架式结构。波音747－400机翼§1.2.2机翼结构形式机翼的特点是薄壁结构，以上各构件之间的连接大多采用分散连接，如铆接、螺接、点焊、胶接或混合方式，如胶铆。机翼结构形式是指结构中主承力系统的组成形式，通常按照强度设计的要求选择机翼结构形式，典型的受力形式有蒙皮骨架式、整体壁板式和夹层结构。（1）蒙皮骨架式①梁式；②单块式；③多墙式（2）整体壁板式（3）夹层结构机翼的受力分析机翼主要受：剪力、弯矩、扭矩剪力主要是由翼梁腹板承受的。弯矩要使机翼产生弯曲变形，弯矩引起的轴向力是由翼梁缘条、桁条和蒙皮共同承受的。机翼受扭矩作用时，翼梁缘条和桁条都很容易变形，而金属蒙皮和翼梁腹板所组成的合围框，却能很好地反抗扭转变形。（1）蒙皮骨架式按照抗弯材料的配置，蒙皮骨架式翼面可分为梁式、单块式和多墙式三种结构形式。最初的薄壁结构翼面蒙皮很薄，只承担扭矩，不能承受弯矩，称为梁式结构。以后蒙皮不断加厚，支持蒙皮的桁条相应加强。蒙皮不仅承扭，还参与承弯，并且承弯程度越来越高，以至蒙皮与桁条一起组成的加强壁板成为主要的承弯构件，此时结构便发展成单块式结构。蒙皮进一步加厚，取消桁条，由多根纵墙对蒙皮提供支持，蒙皮单独成为承弯元件，此时结构便发展为多墙（腹板）式结构。①梁式结构梁式结构多用于相对厚度大、结构载荷参数比较小、要大开口的翼面中，或用在机翼与机身需要安排设计分离面的布局中。梁式结构的主要构造特点是蒙皮很薄，常用轻质铝合金制作，纵向翼梁很强，纵向长桁较少且弱，有时在与翼肋相交处断开，梁缘条的剖面与长桁相比要大得多。按翼梁的数目，梁式结构可分为单梁式、双梁式和多梁（3~5根梁）式。①梁式结构单梁式：翼梁通常放在剖面最高处，以便充分利用结构高度，提高翼梁的抗弯能力，减小缘条中因弯矩引起的拉压轴力，减轻翼梁质量。这种翼面通常布置1~2根纵墙形成闭室，提高翼面抗扭能力，前后纵墙还可用来固定副翼、襟翼及缝翼。双梁式：翼面内部空间合理利用较有利，两梁之间结构高度较大的部位可用来收藏起落架或放置燃油箱，但梁的高度降低，结构较重。多梁式：多用于弦长较大的小展弦比机翼，安全性较高，可以设计成多通道传力。①梁式结构单梁式结构1－前梁；2－后梁；3－后墙；4－桁条；5－普通翼肋；6－蒙皮；7－梁缘条；8－立柱；9－接头；10－加强翼肋双梁式结构①梁式结构优点：结构简单蒙皮上开口方便，对结构承弯能力影响较小。对接点少，连接简单。缺点:蒙皮承弯作用利用不充分蒙皮失稳后易出现皱纹，增大阻力生存性比其他承弯材料分散性大的结构形式低。②单块式结构随着飞行速度的进一步增大，为保持机翼有足够的局部刚度和扭转刚度，需要加厚蒙皮并增多桁条。这样，由厚蒙皮和桁条组成的壁板已经能够承受大部分弯矩，因而梁的凸缘就可以减弱，直至变为纵樯，于是就发展成为了没有翼梁的单块式机翼。单块式机翼的维形构件和受力构件已经完全合并。单块式结构蒙皮较厚，与长桁、翼梁缘条组成壁板，承受绝大部分弯矩；纵向长桁布置较密，长桁截面积与梁的横截面比较接近；梁或墙与壁板形成封闭的盒段，增强了翼面结构的抗扭刚度。单块式机翼仅在前后梁之间的中央部分为受力的上下壁板，形成一个翼盒，称为盒形梁。②单块式结构②单块式结构优点－－蒙皮在气动载荷作用下变形较小，材料向剖面外缘分散，抗弯、抗扭强度及刚度均有所提高，安全可靠性比梁式结构好。缺点－－结构比较复杂。大开口后，需加强周围结构以补偿承弯能力。与机身连接时，接头必须沿周边分布，结合点多，连接复杂。为了充分发挥单块式结构的受力特性，左、右翼面最好连成整体贯穿机身。③多墙式结构多墙式结构由厚的承力蒙皮和多根墙组成，除在受集中力部位安排加强肋外，一般不安排普通肋。由于该结构的受压蒙皮通过墙得到受拉面蒙皮的支持，因此具有很高的应力水平和承弯能力。厚蒙皮翼盒结构承扭刚度大，对于高速飞机的薄机翼情况特别适宜，可有效解决薄机翼的强度、刚度与减轻结构质量之间的矛盾。这种结构只能用于没有大开口的翼面，并被广泛设计成机翼整体油箱。③多墙式结构③多墙式结构优点：抗弯材料分散在剖面上下缘，有较高的结构效率；局部刚度及总体刚度大；受力高度分散（多墙抗剪、蒙皮分散受弯及多闭室承扭），破损安全性好，生存性高。缺点不宜大开口；与机身连接点多。（2）整体壁板结构由若干个大型整体件如整体蒙皮壁板、整体梁和整体肋组成，而整体件则是由整块毛坯加工制成的大型结构受力元件。整体壁板翼面由蒙皮与纵向构件、横向构件合并而成上下两块整体壁板，然后再铆接装配而成。1、结构形式：主要为变厚度蒙皮，结构简单，蒙皮与长桁和肋通过铆接方式连接起来。优点：零件成形容易，一般采用拉形或滚弯成形。缺点：零件数量多，蒙皮与长桁和肋的连接装配工作量大。2、结构形式：带整体加强凸台、口框、下限、变厚度蒙皮等结构要素，与长桁和肋通过铆接方式连接起来。优点：单个零件制造难度降低。缺点：零件数量多，蒙皮与长桁和肋的连接装配工作量大。3、结构特点：带整体加强凸台、口框、下限、变厚度蒙皮等结构要素，且筋条和蒙皮之间没有任何机械连接。优点：结构整体性好，零件数量少，减重10-30%，大幅降低连接装配工作量，密封性能好。缺点：材料利用率低，成形难度大。1.简单蒙皮零件2.铆接组合式整体壁板结构3.整体带筋壁板结构整体壁板结构的特点蒙皮容易实现变厚度，加强筋可以合理布置，蒙皮材料离翼剖面中心最远，受力效果好，强度、刚度较大；构造简单、质量轻；铆缝少，表面光滑，气动外形好；零件少，装配协调容易。整体壁板结构除了用金属材料制造以外，用复合材料制造也有很大的发展前景。国内研制的一种新型飞机上，为了进一步的降低飞机的结构重量，减少装配工作量，采用了更新的飞机机翼整体壁板的设计思想。它集变厚度蒙皮、长珩、梳状接头、口盖、横向加强肋与一起，形成新型的飞机机翼整体壁板。整体壁板结构技术要求零件加工完成后的尺寸为10880mm×640mm×64mm，宽