第十讲：机翼结构设计

1第十讲飞机结构分析与设计2§4.8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4二、机翼结构设计的原始依据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。方案设计初步设计详细设计6三、机翼结构设计的步骤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方案设计阶段7四、机翼结构型式的选择（属方案设计阶段）机翼的结构形式在方案设计阶段进行考虑。它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气动弹性要求静强度通常是满应力法。8总体方案确定后，各部件的结构受力形式和主要受力构件的布置也就基本确定，在结构设计中只是根据协调需要作小的更改。1、各种受力结构形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，长桁较弱，梁的缘条剖面与长桁剖面相比要大得多。优点:结构简单，蒙皮上打开口方便，开口对结构承弯能力影响很小；连接简单，对接点少。四、机翼结构型式的选择（属方案设计阶段）9缺点:蒙皮未能发挥承弯作用，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。单块式主要结构特点是：长桁较多较强，蒙皮较厚，翼肋较密，一般梁缘条的剖面面积不大，有时只布置纵墙而不采用缘条面积较大的翼梁。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。安全可靠性好。缺点：结构复杂，对开口敏感。与中翼或机身接合点多，连接复杂。单块式机翼的结构特点10多腹板式主要结构特点是：这类机翼布置了较多的纵墙，蒙皮较厚。厚蒙皮单独承受全部弯矩。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；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。多腹板式机翼的结构特点梁式、单块式、多腹板式三种机翼受力形式的主要区别在于承受弯矩引起的正应力元件面积的分散度不同，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（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13假设略去后掠角和梯形比的影响，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，后掠、平直机翼相对载荷估算公式为（主要从受压区的情况进行分析）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lSSnGlSnSGM8142114HHHee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)采用分散受力形式，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。15讨论b)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采用分散受力形式，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。分散受力形式，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。16多腹板式相对于单块式结构，因材料的分散度更大，有效高度比更大，因而更有利。总结总结仅就相对载荷和有效高度比这两个参数来分析（对于梯形比在1-4之间的平直机翼和后掠机翼），一般说来当M/HaB较大、相对厚度c较小时，宜采用多腹板式结构；当M/HaB较大、相对厚度c较大时，宜采用单块式结构；当M/HaB较小、相对厚度c较大时，宜采用梁式结构。17机种F-86D米格-15F-104波音-707L-29幻影-Ⅲ平面形状后掠后掠平直后掠平直三角形相对厚度11.5%10.4%3.36%12%17%4%相对载荷(105)4.703.625.8519.32.120.82有效高度比(%)9190.5结构形式单块式单块式多腹板式单块式单梁式多梁式举例18按强度要求选择机翼结构布局，主要是采用“满应力”的方法，即结构的工作应力σe力求与结构的许用应力[σ]相等1][e许用应力[σ]的确定外载荷4、提高受压破坏平均应力结构模型有限元分析满应力准则1][e受拉面[σ]结构疲劳断裂设计结构稳定性设计受压面[σ]19在结构形式选择和主要受力构件布置时，可先按稳定性要求初步确定最小质量布局，然后用疲劳、损伤容限分析检查受拉翼面等等，进一步修改整个翼面结构。影响翼面结构质量最主要的载荷为翼面的最大弯矩。将受力翼盒上的弯矩与翼面结构特性组合起来，定义翼面载荷指数p为4、提高受压破坏平均应力其中2haMpkHBahHhkh—翼盒上下剖面形心间的高度20按稳定性设计各种结构最小重量适用范围有4、提高受压破坏平均应力结构形式载荷指数p翼面相对厚度c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1~105~105、翼身相对位置及机身空间6、空间及开口总体布局7、变后掠翼的布局特点21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—10机翼部件的作用和力学特性22五、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：梁、墙、加强肋、普通肋、蒙皮、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，一般来说，传力越直接越好，结构重量越轻。3)布置加强构件应尽量做到综合利用，以减轻重量。4)布置受力构件时要有全局观。231、主要受力构件布置的原则5)损伤容限设计。6)改善结构工艺性和使用维护性。7)注意结构的现实性和先进性，适当采用新结构、新材料和新工艺。2、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。一是因为要形成承扭闭室，二是因为可作整体油箱壁板。位置与布置方式：一般前梁位于能与机翼前缘缝翼、前缘襟翼（如有的话）相连的位置；后梁在能与操纵面相连的位置。24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。翼肋的布置2)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25加强翼肋应根据结构安排和连接点集中力大小来布置。翼肋的布置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EF200026翼肋的布置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。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的多墙式翼面，或机翼的局部区域。27翼肋的布置F15机翼283)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。桁条的布置小型飞机中型飞机大型飞机蒙皮面积/桁条面积60-150100-200140-250(11:9)~(7:3)统计结果表明,桁条间距29位置与布局方式：按百分比线布置(聚交式)长桁布置平行于前梁或后梁布置桁条的布置平行布置的特点—扭曲，逐渐切断等。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。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30总结机翼结构设计的原始依据机翼结构设计的步骤机翼结构形式的确定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32Boeing–747和A-300的梁、肋布置33部分战斗机翼梁的布置返回34部分战斗机翼肋的布置返回35梁式36B-1B轰炸机返回37苏-30MK战斗机结构返回38返回单块式39单块式返回40返回多腹板、多支柱式41夹层结构：蜂窝板结构42夹层结构：全高度蜂窝43通用飞机44歼-7战斗机结构45运输机46蜂窝结构47混合式结构48轰炸机