10讲：飞机结构技术

飞行器结构分析与设计第十讲崔德刚、程小全、何经武2009年2月讲课材料23.8机翼结构形式确定与结构布置一、机翼结构设计的内容机翼设计外形设计结构设计根据飞机的战术、技术要求或使用要求、性能指标等，设计机翼的外形，确定机翼的主要几何参数。根据飞机总体设计阶段所提供的依据（其中包括外形设计），设计出能够满足各项要求的具体机翼结构。具体地说，机翼的结构设计是指，根据给出的原始依据，合理地选择机翼的受力形式，布置机翼的主要受力构件，确定沿展向各剖面处纵向元件的尺寸，并对各主要受力构件进行设计。3二、机翼结构设计的原始依据机翼结构设计的原始依据翼载p=Y/S或G/S机翼面积S机翼最大过载系数n全机参数机翼外形参数机翼的位置机翼内部布置上、中、下单翼分开或贯穿机身机翼-机身连接方式机翼整体油箱、安装起落架等展弦比λ机翼展长l翼型相对厚度C后掠角χ梯形比η强度刚度规范及设计参数4接上页机翼的外挂外挂的要求、外挂的设计要求气动弹性要求静弹性要求：副翼效率、防止发散；颤振要求机翼使用维护要求结构材料原则5机翼结构设计初步设计详细设计内部系统的协调，设计主要受力构件、绘制机翼协调图、初步计算及打样图。完成机翼零、构件设计生产图纸，完成机翼强度、气弹、质量的全部计算。三、机翼结构设计的步骤方案设计确定设计分离面、选择结构型式、布置主要受力构件、绘制机翼理论图。6机翼装载及系统与结构协调绘制生产图纸结构强度、气弹计算寿命、可靠性维护性分析详细设计阶段结构打样设计重量、惯性矩计算打样设计阶段确定机翼分离面、选择结构型式、布置主要受力结构进行主要结构受力分析绘制机翼理论图机翼载荷机翼外形总体要求机翼结构设计的具体步骤方案设计阶段7四、机翼结构型式的选择机翼的结构型式在方案设计阶段进行考虑。他对合理结构设计起到关键作用。各种结构形式都有其适用范围，关键能否合理选择结构形式，能否合理选择结构参数。目前结构形式选择首先考虑静强度和气动弹性要求。静强度通常是满应力法。稳定性决定了结构许用应力结构有限元分析静强度设计准则1结构稳定性设计疲劳/损伤容限设计受拉许用应力受压许用应力8四、机翼结构型式的选择机翼的结构型式在方案设计阶段进行考虑。他对合理结构设计起到关键作用。1、各种受力结构型式的特点及其材料分布梁式主要结构特点是:纵向有很强的翼梁，蒙皮较薄稳定性差，长桁较弱，梁承受主要弯矩和剪力，蒙皮承受扭矩。优点:梁可以利用结构最大高度，蒙皮开口对结构承弯能力影响很小；与机身连接简单。缺点:蒙皮不参与承弯，材料利用不充分；蒙皮易失稳，影响气流质量；生存性低。9单块式主要结构特点是：机翼的弯矩和扭矩主要由长桁和较厚蒙皮组成的加筋板承受，翼肋较密，壁板稳定性承载能力较好。梁缘条的剖面面积不大，有时只布置纵墙，主要传递剪力和扭矩。优点：蒙皮在气动载荷作用下变形较小，气流质量高。材料向外缘分布，抗弯、抗扭强度及刚度均有所提高。安全可靠性好。缺点：结构复杂，翼面不宜大开口。与中翼或机身接合点多，连接复杂。10多腹板式主要结构特点是：布置了较多的纵墙支持蒙皮，没有或很少翼肋。厚蒙皮稳定性承载能力高，承受大部分弯矩和扭矩。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；损伤容限特性好，生存性高。缺点：不宜大开口；与机身连接点多，不适用于厚机翼。梁式、单块式、多腹板式三种机翼受力型式的主要区别在于承受弯矩的主要构件的不同。因而当元件总面积相同时，通常是后者的形心距较高，结构效率可能较高，重量可能较轻。但对于具体情况有待进一步分析。11梁式机翼蒙皮薄，在翼盒闭室面积相同情况下，扭转刚度小，一般翼面相对厚度较大的低速飞机较多采用。单块式机翼蒙皮较厚，扭转刚度也较好，对提高颤振临界速度很有利，一般被小、中、大展弦比，速度较高的飞机采用。多墙式机翼蒙皮很厚，并以多个腹板形成的翼盒多闭室受扭，提高了扭转刚度，刚度最好，一般中、小展弦比，相对厚度小的高速飞机采用。2、翼型厚度和扭转刚度12在第五讲中按稳定性要求进行机翼结构形式选择：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。结构实心度Σ为翼盒结构的体积和非受力连接件的体积占整个翼盒空间的比值。他表明结构质量密度。是无因次参数。13翼面结构效率曲线Σ－结构实心度（无量纲）N/h－结构载荷参数（N/mm）14按稳定性设计各种结构最小重量使用范围结构形式载荷指数MPa翼面相对厚度夹层板结构110加筋板结构1—104—10多墙结构106夹层盒结构106梁式结构1—105—1015机翼部件的作用和力学特性飞机类型机翼结构形式载荷指数MPa梁式单块式多墙式夹层结构歼击机10通用飞机1—10侦查机5客机1—10运输机1—10轰炸机教练机1—1016（1）机翼的相对载荷M/HaBB—受力翼盒的弦长（近似取为60%的弦长）Ha—翼盒的平均高度（近似取为80%翼型最大高度）相对载荷的意义：代表壁板以宽柱型式受力时，单位宽度壁板上所受的轴向力。3、相对载荷、有效高度比17估算时近似地把后掠机翼简化为平直矩形机翼，同时略去机身段的影响，机翼相对载荷估算公式为：相对载荷为ClSGn.ClblSGn.b.bC.lSSnGBH/Ma2602606080181可见G/S、λ、l、n等参数愈大，C愈小，则相对载荷愈大。机翼对称面上的最大弯矩为lnGlSnSGM842118HHHeeHe—有效高度，上、下缘条的形心间距。（2）有效高度比讨论当相对载荷很小时a)采用分散受力型式，根据b决定的蒙皮与桁条的面积可能很小，而其失稳临界应力cr就可能大大低于b。因此，如果按cr确定构件尺寸，从b来看，材料利用就不充分。19b)如果采用梁式，由于受正应力的面积集中在梁缘条，其截面积就较大，不易失稳。虽然缘条形心离蒙皮内表面的距离较大，而使He有所降低，但总的说来可能还是有利的。特别当C较大时，He也没有明显降低。当相对载荷愈大时采用分散受力型式，其长桁、蒙皮在各切面处的面积不致太小，不易失稳，也即cr不致很小。分散受力型式，上、下纵向元件的形心间距大，结构效率高些，总的来说是有利的。20多腹板式相对于单块式结构，腹板通过下蒙皮对蒙皮的支持远强于加筋条，蒙皮的屈曲应力大大优于加筋条，另外材料的分散度更大，有效高度比更大，对薄机翼结构更有利。该结构不适用在厚机翼结构。主要是厚机翼腹板高，其重量比加筋条和翼肋重，效率不如单块式高。21五、机翼主要受力构件布置机翼主要受力构件布置——是指具体确定机翼主要受力构件的布置方式、数量和位置。主要受力构件有：蒙皮、梁、墙、加强肋、普通肋、桁条等。1、主要受力构件布置的原则1)确保气动载荷引起的弯、剪、扭能顺利可靠地传向机身。2)受力构件布置要力求简练，传力越直接越好，结构重量越轻。3)布置受力构件时要有全局观。加强构件应尽量综合利用。4)损伤容限设计，考虑多通路传力结构布局。6)改善结构工艺性和使用维护性，注意工艺分离面和维护通路设计。7)适当采用新结构、新材料和新工艺。通常不宜超过15％。222、主要受力构件的布置1)梁与墙的布置数量：一般现代运输机上，机翼至少有两根梁。整体油箱一是因为要形成承扭闭室，二是因为可作壁板。位置与布置方式：一般前梁位于支持机翼前缘缝翼、前缘襟翼相连的位置；后梁在能支持襟副翼操纵的位置。从受力合理看：(1)梁最好能纵贯全翼展，且轴线尽量不折转；(2)尽可能布置在结构高度较大的部位；(3)沿展向最好按弦长等百分比线布置。232)翼肋的布置数量：翼肋间距可按蒙皮格子的临界应力的大小确定，也可按桁条总体和局部失稳临界应力相等的要求确定。飞机类型小型飞机中型飞机重型飞机最佳肋间距250－300mm500－600mm600－800mm统计结果显示，机翼的肋间距有以下规律24加强翼肋应根据结构安排和连接点集中力大小来布置。位置与布局方式：普通翼肋顺流布置翼肋翼肋的布置加强翼肋正交布置EF200025顺流布置的优点顺流布置的缺点维持机翼剖面形状较好；相同翼肋间距下，数量要少等等。翼肋长度增加；缘条扭曲；蒙皮受剪稳定性差；结构质量重；与梁、桁条连接工艺复杂等。顺流布置的应用一般用于平直翼、三角翼，以及机翼蒙皮较厚，翼肋对蒙皮支持作用较小，或机翼的局部区域。26F15机翼273)桁条的布置数量：桁条的间距根据蒙皮失稳临界应力来定确定。正交布置的优点、缺点与顺流肋恰好相反。在现代后掠机翼上，正交布置采用得较多。小型飞机中型飞机大型飞机蒙皮面积/桁条面积60-150mm100-200mm140-250mm(11:9)~(7:3)统计结果表明,桁条间距28位置与布局方式按百分比线布置(聚交式)长桁布置按照承弯承扭特点布置平行于前梁或后梁布置按百分比线布置的特点——桁条无扭曲，桁条截面面积变化或截断等。桁条的布置平行布置的特点—扭曲，逐渐切断等。4)翼身连接形式的确定5)集中载荷作用处加强构件的布置不讲按承载要求29总结机翼结构设计的原始依据机翼结构设计的步骤机翼结构型式的确定机翼主要受力构件的布置原则、数量和布置方式第十讲结束谢谢31Boeing–747和A-300的梁、肋布置