航空结构技术的发北航讲课第12讲翼面结构

飞行器结构分析与设计第十二讲崔德刚、程小全、何经武2009年2月讲课材料§3.10机翼开口区结构设计一、梁式机翼开口区结构设计1、双梁参差弯曲扭转开口区结构设计开口结构传力分析开口区结构设计扭矩产生的剪流作用在开口处端肋，变成作用于前后梁的力偶，即梁承受由扭矩所附加在开口端的剪力及其引起的弯矩。一、梁式机翼开口区结构设计1、双梁参差弯曲传扭2、梁式机翼开口区设计二、单块式机翼开口区结构设计1、翼面不受力口盖对传力的影响2、单块式机翼开口区设计连接对翼面根部受力的影响1、翼根限制扭转盒段自由扭转状态限制扭转的次应力分布1、双梁参差弯曲扭转由于限制扭转造成的自身平衡力矩在开口两端有一个如何分配的问题。通常，可近似认为与开口左右段的刚度有关。mtAB由于限制扭转造成的自身平衡力矩在开口两端的分配，可近似认为与开口左右段的刚度有关。若开口位于翼面根部，则由于翼根处支承刚度大，是典型的限制扭转，可近似认为全部附加自身平衡力矩（实际上是大部）都位于根部一侧。若开口位于翼面半翼展中间附近位置，则可近似认为限制扭转附加自身平衡力矩在开口两端，一边占一半。附加力矩在开口两端之外的结构中，叠加在参差弯矩上，其长度为1.5b。双梁翼面根部大开口的水平剪力传递2、梁式机翼开口区设计在加载部位翼梁缘条和腹板要加强。开口两侧的端肋也应适当加强。由于这个端肋主要受剪切，故通常布置一个带腹板及若干支柱的不太强的肋即可。下蒙皮开掉后，上蒙皮及其支撑结构也得适当加强。二、单块式机翼开口区结构设计参与区1、翼面不受力口盖对结构传力的影响二、单块式机翼开口区结构设计参与区DDCCBBAAAABBCCDDq0q1q2q3PiPiJ=1,2,3,4(A,B,C,D)蒙皮和长行上的轴力pi1iiipqql2、双梁式机翼根部结构参与问题1iiipqqlAABBCCDDDDCCBBAAq0q1q2q3Pi1jjjppp蒙皮和翼肋上的剪流qi歼七机翼的参与区分析2、单块式机翼开口区设计大开口区设计•翼根部采用梁架式结构•上壁板为单块式，下壁板加强缘条中、小开口区设计开口的作用、位置、大小、形状、载荷特点、连接情况等。11.3飞机的刚度设计与气动弹性问题一、飞机结构的刚度要求1、结构的刚度要求1）飞机结构的刚度要求，以在使用载荷下，结构变形小于许可变形表示。即i≤[i]i—结构在i节点或i剖面处的线位移或角位移；[i]—结构在i处的许可位移。2）气动弹性对结构的刚度分布以及翼剖面刚心位置提出一定要求。飞机结构刚度要求结构的刚度要求刚度要求的根据结构的刚度设计2、刚度要求提出的根据（1）为了保证飞机各部件具有设计时所预期的气动性能（如升力特性、阻力特性、力矩特性）。其中包括总体刚度要求和局部刚度要求；（2）对于某些支撑点，会提出支撑刚度要求，如机炮节点；（3）结构动强度要求的需要（如振动、气弹问题等）；（4）有时结构会因刚度不足，在疲劳载荷作用下反复变形过大，而导致疲劳破坏。3、结构的刚度设计（1）查阅有关的规范、手册、适航性条例等文件；（2）根据应力分析，结合设计经验，提出刚度要求与刚度分布要求；（3）进行气动弹性、振动、噪声等计算分析确定刚度要求；（4）根据飞行试验和地面试验的结果，结合使用经验和设计经验，给出一定的刚度要求。刚度要求与气动弹性问题飞机结构的刚度要求结构的刚度要求刚度要求的根据结构的刚度设计机翼弯扭颤振副翼弯曲颤振气动弹性问题概述机翼变形对气动力的影响机翼的扭转扩大（发散）颤振副翼反效二、气动弹性问题概述静气弹平直机翼情况：弯曲时，攻角不变；扭转时，攻角发生变化。所以平直机翼主要由于扭转变形引起载荷变化。后掠机翼情况：后掠机翼的攻角规定按平行于机身轴线的剖面计算；机翼的变形通常按刚心线以及垂直于刚心线的剖面计算。弯曲和扭转时，都会引起攻角变化。1、机翼变形对气动载荷的影响机翼变形的形式局部变形总体变形弯曲变形扭转变形（1）机翼扭转变形扩大的机理扭转扩大是机翼变形与空气动力交互作用导致结构变形发散而破坏的现象。2、机翼扭转变形扩大如果弹性恢复力矩气动扭转力矩，扭转变形减少，飞行安全；如果弹性恢复力矩气动扭转力矩，扭转变形不断扩大，形成发散。（2）后掠翼对防止扭转扩大有利，前掠翼则相反后掠翼一般主要考虑防止副翼反效，而不需要考虑防止扭转扩大。亚音速大展弦比平直翼则两方面都需要考虑。亚音速前掠翼一般不需考虑副翼反效，而着重考虑防止扭转扩大。2、机翼扭转变形扩大（3）防止扭转变形扩大措施：刚心前移；或增大抗扭刚度.（a）由于后掠引起的附加负迎角；（b）由于前掠引起的附加正迎角（1）副翼反效的机理机翼总体刚度不足，副翼偏动造成机翼的附加变形，使副翼的操纵效率降低。以平直机翼为例，存在一副翼反效临界速度VR。如果飞行速度V副翼反效临界速度VR，保持一定效率的正常操纵；如果飞行速度V副翼反效临界速度VR，出现副翼反效。3、副翼（操纵）反效（2）防止副翼反效的措施为了防止副翼反效，就要提高VR。具体措施有：对于平直机翼，增大机翼的扭转刚度；（2）防止副翼反效的措施对于后掠机翼，除了增加扭转刚度外，还保证一定的弯曲刚度；对于三角机翼，副翼反效的问题不严重。（1）颤振的概念与扭转变形扩大和副翼反效不同，颤振时除了气动力和弹性力外，还伴有惯性力。颤振是气动力、弹性力、惯性力三者相互作用的结果。机翼颤振有多种形态，例如弯扭颤振、弯曲-副翼颤振、扭转-副翼颤振、弯扭-副翼颤振等。4、机翼的颤振定义：机翼弯曲振动的同时伴随有扭转振动的颤振，叫弯扭颤振。边界条件：1）认为机翼是一端固定的弹性悬臂梁；2）振动时副翼相对机翼主体不发生偏转。弯扭颤振产生的机理：A、弯扭振动（只考虑弹性力和惯性力的作用）（2）弯扭颤振B、弯扭颤振飞机在飞行中，机翼弯扭变形必然要引起附加的空气动力P，P作用在剖面的焦点上。②减振力—P（机翼上下移动u引起的攻角变化）002200202121VPVKbVVuCbVCPyy202012021VPVKbVCPy①激振力—P③阻尼力—内摩擦力PF，与速度V0无关。弯扭颤振临界速度由于P、P、PF随飞行速度V0变化的曲线可以看出：V0Vcr,F时，PP+PF，是减幅振动；Vcr,F是机翼开始发生颤振的速度，叫做弯扭颤振临界速度。如果飞行速度超过颤振临界速度，振幅将不断增大，直至机翼破坏。V0=Vcr,F时，P=P+PF，是等幅振动；V0Vcr,F时，P=P+PF，是增幅振动；ΔPθΔPα＋ΔPF防止弯扭颤振的措施原则：一般建议Vcr,F1.1Vmaxmax。其中Vcr,F=f(结构刚度、刚心和重心的相对位置、机翼的几何参数、飞行高度等)。措施：（a）合理配置载重、设备等，使剖面重心移近刚心，以减小扭矩。最有效的办法是在翼尖前缘加配重；（b）加厚蒙皮和梁（或墙）的腹板，提高抗扭刚度；（c）运用主动控制技术。（3）弯曲副翼颤振定义：机翼弯曲振动的同时，因副翼反复偏转引起的颤振，叫做弯曲副翼颤振。假设：1）机翼扭转刚度极大，只能弯曲不能扭转；2）副翼可以随意偏转。发生弯曲副翼颤振的机理一般情况下，副翼结构的剖面重心位于转轴之后。当机翼弯曲振动时，副翼的质量惯性力Na作用于副翼重心，方向与加速度a相反，背离平衡位置，引起副翼偏转。飞行中，因副翼偏转引起的附加气动力P为202022021VPVKbVCPy弯曲副翼颤振的机理其中Cy—副翼单位偏角引起的升力系数增量P的方向与机翼弯曲方向一致，——是激振力。弯曲副翼颤振临界速度Vcr,F。由P、P、PF随飞行速度V0变化的曲线可以看出：V0Vcr,F时，PP+PF，是减幅振动；与机翼弯扭颤振相同，同样也存在减振力P、PF，以及V0=Vcr,F时，P=P+PF，是等幅振动；V0Vcr,F时，P=P+PF，是增幅振动。防止弯曲副翼颤振的措施原则：1）提高临界速度Vcr,F；2）提高副翼操纵刚度。防止弯曲副翼颤振的措施措施：（a）副翼采用重量平衡，将其重心前移到转轴上（完全平衡），甚至转轴前（过度平衡）。如加前缘配重等；（b）装设副翼振动阻尼器。通过阻力操纵系统实现；（c）增大操纵系统的刚性，减少操纵系统的间隙。总结双梁参差弯曲传扭机翼开口区结构设计翼面不受力口盖对传力的影响机翼开口区结构设计飞机结构的刚度要求刚度要求与气动弹性问题气动弹性问题结构的刚度要求刚度要求的根据结构的刚度设计机翼的扭转扩大副翼反效颤振机翼弯扭颤振副翼弯曲颤振机翼变形对气动载荷的影响退出第十二讲结束用最小应变能原理，计算得到结构中轴向力的分布为Flutter(Azzeddine).wmv