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飞机结构设计第4章机翼尾翼的结构分析4.1机翼的功用、设计要求和受载特点4.1.1机翼的功用和设计要求一、机翼的用途气动作用:保证飞机的飞行性能和机动性能,横向稳定性和操纵性安装起落架、发动机、贮放燃油、武器等。图4.1现代旅客机的机翼机翼的结构重量占全机结构重量的30%~50%,占全机重量的8%~15%。由它产生的阻力是全机阻力的30%~50%。二、设计要求总体要求(4点)气动要求:保证一定的升阻比K=cy/cx;由机翼增升装置产生的升力系数增量△cymax值要尽可能地大;从亚音速飞行转到超音速飞行时飞机的稳定性、操纵性和气动性能的变化要尽可能地小,热量要尽可能少地传入结构放置各种装载物的容积要尽量大。4.1.2机翼的受载分布气动力:以吸力和压力形式直接作用在蒙皮上;机翼结构的质量力:分布在机翼整个体积上;集中力:与机翼连接的其它部件(如起落架发动机)、装载物(油箱、炸弹)以及各类增升翼面从它们的连接接头上传给机翼。各种受载情况下气动载荷的弦向分布•亚音速气动力沿机翼弦向分布如图所示•副翼不偏转时的超音速飞行时可以认为载荷沿翼弦为均匀分布β角很小,取cosβ=1,升力由机翼产生假定气动力分布沿机翼翼展不变(Ks=1),于是bSGnqdbsdbGKnlqKs为气动力沿机翼展向的分布不均匀系数图4.3三角机翼上的气动力分布对于三角形机翼在M1时,当cysecb=cywbav时,系数Ks等于1qb=nG/l=常数当M1时:qb≈(nG/S)b压力中心在翼弦上的位置:secyz0yzp)(cmcmbx式中mz0是零升力矩系数。对于对称翼型,mz0=0,并且机翼的压力中心与焦点重合,即хp=хF。图4.4机翼焦点位置与飞行M数的变化关系机翼结构的质量力为空气动力的8~15%,它们按与空气动力同样的规律分配:bSGnqwdw质量力qw的作用点xm就是剖面的质心,一般位于距前缘4050%的弦长处。)1(wbwbmqqqq它距前缘的距离为:qxqxqx/)(mwpbeqi装在机翼内或悬挂在其上的各部件和装载物的质量力Pp作用在部件或装载物的质心上。图4.5气动载荷沿翼展和翼弦方向的分布二、机翼在外载荷作用下的受载情况在a-a切面上产生了限制位移的内力—剪力Q和弯矩M相对于z-z轴,产生了扭矩Mt剪力Q使翼梁腹板或墙腹板受剪;弯矩M作用下机翼承受弯曲变形扭矩Mt的作用下机翼承受总体扭转变形机翼的Q和M图机翼上的展向分布载荷近似为:p2/dPzqQzlzlzQM2/dbmSnGnbSGGqqq)1(图4.8转直后的后掠机翼各剖面上的Q和M(近似值)三、机翼剖面上的Q和M值的近似求法如果载荷沿机翼翼展与翼弦长成比例,则在z剖面处:secw)2/()1(d0SSmnGzqQzl而弯矩M=Qc,式中ttbbbbzlc23)2/(0四、扭矩Mt分布力qb和qw相对于Z轴产生的分布扭矩)()(mwpbzzzxxqxxqmpz2/zzdMzmMzl部件的集中力产生的相对于Z轴的力矩PhxPMzPPP图4.9计算机翼的M图得到Mz和Q图以后,可以对任一剖面求出力Q作用点到Z轴的距离:(图4.10)。若已知刚性轴的位置(距离d),对它的扭转为Mt=dQ。图4.10扭矩Mt4.2典型受力型式机翼的气动载荷传力分析4.2.1蒙皮的初始受力蒙皮支持在桁条和翼肋上以压力和吸力形式直接承受气动载荷。蒙皮受拉伸(如果是厚蒙皮—它也受横向弯曲)。局部气动载荷传给长桁和翼肋,近似按对角线划分分配4.2.2桁条将载荷传到翼肋上桁条支持在翼肋上承受蒙皮传递过来的气动载荷。桁条受弯图4.13蒙皮、翼肋和桁条之间的互相连接型式1-补偿片;2-梁;3-壁板筋条;4-整体壁板;5-角撑;6-翼肋缘条;7-翼肋腹板;8-对接接头。4.2.3翼肋将载荷传到蒙皮和翼梁腹板上支持在翼梁、蒙皮上承受蒙皮、桁条传递过来的气动载荷。受弯剪力Q由两个翼梁共同承受,按刚度分配:211ii1)()()(EJEJEJQQ2112)()()(EJEJEJQQ刚心位置212g)()()(EJEJEJBx剖面上相对于刚心的扭矩Mt为:cQxxQMiii)(gpt式中:ci剖面上刚心和压心之间的距离。翼肋传递到蒙皮上的载荷qti为:iiFcQFMqiiiicontconttt22式中:Fcont闭室面积;问题:–扭矩可以由两个梁承担吗?4.2.4翼梁的受力4.2.5蒙皮的总体受载BMR/trtMt的作用使机翼蒙皮如同翼梁腹板一样受剪。蒙皮以剪切形式承受扭矩Mt。为使扭矩能以闭环剪流qt的形式沿蒙皮传递,必须满足以下条件:(1)蒙皮应是封闭的,周边不应有开口,切向应力沿闭室周边传递。(2)在机翼根部,蒙皮应支持在根部加强肋上,该翼肋能将Mtr转换为力偶Rt;(3)在使用载荷作用下,蒙皮不应失稳;(4)蒙皮应有足够的厚度,以防止在飞行中由于机翼扭转变形。双梁机翼传力分析综述蒙皮扭矩扭矩剪力一对剪力(形成力偶)弯矩剪力局部气动力翼肋长桁梁蒙皮接头蒙皮长桁机身蒙皮根部加强肋?两个重要概念:剪流反传参与区参与区传力分析总结:受到什么载荷(谁传递过来的)?如何被支撑(约束)?约束力到哪里去了?支撑能提高正确的约束力吗?是否符合传力特性?分离体是否平衡?所有的力都传递到基础上吗?4.3机翼主要受力构件的用途和结构型式4.3.1蒙皮形成良好的气动外形传递局部气动载荷薄蒙皮与前后梁(墙)组成闭室传扭厚蒙皮与前后梁(墙)组成闭室传扭,与长桁、缘条组成壁板传弯依据飞机的受力分析,蒙皮的质量占机翼质量的25~40%。图4.17蒙皮的对接4.3.2桁条支持蒙皮形成外形传递局部气动载荷参与总体受力(机翼由弯矩引起的轴向力,这些力的大小取决于机翼的结构受力型式、桁条横截面的形状和面积。)桁条质量与机翼质量之比为从梁式机翼的4~8%到单块式机翼的25~30%。图4.18桁条型材的剖面形状4.3.3翼梁传递总体剪力(加强支柱加强的腹板)总体弯矩(缘条)腹板与机翼周边形成闭室,参与承受扭矩Mt支持处固接翼梁质量与机翼质量之比为从单块式机翼的7~11%到梁式机翼的23~28%。结构型式腹板式桁架式腹板式桁架式4.3.4纵墙传递总体剪力局部弯矩缘条较弱,支持处铰接纵墙处于受扭的横切面之中,承受Mt引起的剪切纵墙还把机翼翼盒与前后增升装置分开。纵墙结构方案4.3.5翼肋翼肋按其功用和结构型式可分为:普通肋加强肋形成机翼剖面所需的形状将原始气动载荷(从蒙皮和桁条)传到翼梁和蒙皮上,并将局部扭矩传给闭室翼肋对蒙皮和桁条提供支持,并提高它们的失稳临界应力。通常等距分布。翼肋又支持在翼梁和蒙皮图4.21翼肋结构方案图4.22沿翼弦平面分为两半的翼肋结构图4.23翼肋的缘条和腹板与翼梁的缘条和腹板及机翼的壁板对接结构方案二、加强翼肋承受与机翼相连的其他部件(起落架支柱、发动机、副翼及机翼其它活动部分悬挂接头)传来的集中力和力矩,并将它们传递到机翼的大梁和闭室上;在纵向构件轴线转折处重新分配壁板和腹板上的载荷;用于在机翼对接处和在大开口两边将Mt转变为一对力偶。图4.24加强翼肋的结构受载和平衡为什么不是这样的?图4.25根肋的结构和受载4.4直机翼的结构受力型式能承受剖面上总体载荷(剪力、弯矩和扭矩)的机翼构件的总和形成了机翼的基本承力系统(主要元件的组成形式)。弯矩M是机翼横剖面上的主要载荷(用于承受它的结构质量占机翼总质量的50%)。根据蒙皮、桁条和翼梁缘条参与承受弯矩的程度,把机翼分为:梁式(集中式)整体式机翼(分散式)单块式多腹板式梁式机翼:纵向的梁很强(单梁、双梁、多梁);蒙皮较薄;长桁较少且弱;有时有纵墙弯矩主要由翼梁缘条承受。剪力由翼梁腹板承受扭矩由蒙皮和后梁(后墙)腹板形成的闭室承受。整体式机翼:弯矩主要由蒙皮及其加强桁条或波纹形壁板承受。这种机翼的蒙皮较厚、桁条较强,而梁(墙)较弱。单块式机翼:腹板较少,且腹板缘条承受弯矩的能力较弱。长桁较多且强;蒙皮较厚;纵梁较弱;有时无纵梁而只有纵墙多腹板式机翼:有较多的纵向梁和墙(一般多于5个);厚蒙皮;无长桁;少翼肋,弯矩由缘条和蒙皮共同承受。多用于小展弦比的高速薄翼飞机注意:这些受力形式在同一机翼上可能混合存在从现代飞机的冀面结构来看,薄蒙皮梁式结构已很少采用;大型高亚音速的现代运输机和有些超音速战斗机采用多梁单块式翼面结构;而M数较大的超音速战斗机,很多采用多墙(或多梁)式机翼结构,间或采用混合式结构型式。4.4.1梁式机翼(单梁、双梁和多梁机翼)一、单梁式机翼翼梁布置在翼剖面结构高度最大的部位或刚心处为形成具有抗扭刚度的闭室,在单梁机翼上布置一个或两个纵墙带前后墙的单梁式直机翼单梁(单、双)墙直机翼的传力分析气动力蒙皮长桁翼肋墙梁蒙皮侧边肋接头机身蒙皮蒙皮长桁二、双梁式机翼前梁布置在2030%弦长处后梁布置在6070%弦长处相对于后梁,前梁的横截面面积、剖面高度和惯性矩要大些,它分担大部分的剪力Q和弯矩M。图4.27双梁式直机翼结构三、多梁(多墙)式机翼当蒙皮有足够的刚度时,这样的结构中可以不用翼肋将蒙皮厚度减小,而用较密的翼梁或纵墙(或两者)来加强蒙皮机翼不仅刚度大,生存力强,而且重量也轻,因为蒙皮薄,且无普通翼肋。多梁式机翼(在小后掠角时)扭矩的传递可以近似地认为与双梁式机翼相似。图4.28多梁式机翼结构4.4.2单块式机翼经常有中央翼也有采用围框式连接图4.29整体式机翼结构及其对接接头:外翼之间、外翼与中翼((a)(b)(c)(d)(e))的连接;机翼壁板与其纵向受力构件((f)、(g)、(h)、(i))的连接,中翼与机身((j)、(k))的连接;发动机(i)和起落架(i)、(m)、(n))的连接。翼尖(1-中央翼壁板;2-对接型材;3-整流翼尖;4-普通肋;5-机翼前缘;6-机翼后缘7,8-梁;9-接头;10-支柱;11-角撑(托架);12-连接接头;13-加强肋;14-机身加强框;15,16-飞机主起落架支柱接头;17-锻造丁字形材l)。二、单块式机翼传力分析•弯矩主要的部分将由长桁和蒙皮组成的壁板来承受•一般都将蒙皮承受正应力的能力折算到桁条上空气动力蒙皮肋长桁蒙皮围框机身墙蒙皮、桁条围框机身围框:拉压、剪切蒙皮:拉压、剪切图4.30机翼壁板总体受弯和载荷在元件中的传递1-梁腹板传给缘条的剪流;2-缘条传给蒙皮的剪流;3-蒙皮对梁缘条的支反力;4-梁缘条内的轴向力5-长桁内的轴向力;6-蒙皮上的剪流机翼、机身由集中连接变为分散连接参与区很小——重量轻4.4.3多腹板式机翼•多用于小展弦比的高速薄翼飞机上图4.32多腹板式机翼的受载4.5各种结构受力型式机翼的对接原则机翼各部分之间的对接原则、对接接头的位置和数量取决于机翼的结构受力型式和机翼的尺寸。铰接接头(只传递力)固接接头(传递力和力矩)围框式接头(传递力和力矩)分离面的缺点:–重量大–连接处应力集中图4.33梁式机翼连接接头的结构和受载情况4.5.1梁式机翼与机身的对接图4.34(a)、(b)加强框的受载和平衡。(c)机翼连接接头的结构方案4.5.2整体式机翼与中央翼的对接固接接头:翼梁围框式接头:壁板和腹板对称弯矩M可在中央翼上自身平衡剪力Q和扭矩Mt(包括不对称弯距)传到机身,中央翼梁的腹板应与机身隔框相连,用于传递力Q和扭矩Mt形成的力偶Rt。螺栓受力更有利梁-围框式机翼机身对接图4.38机翼连接接头型式对受力构件的受力特性的影响4.5.3对接接头的特点及其对机翼受载的影响4.6机翼开口处的结构型式原因:使用、维护要求开口区结构需加强,为此要付出重量代价。结构受力型式开口的位置开口大小作用载荷的性质。小开口:如油箱注油口,要加
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