飞机结构综合设计(课件)

第一章绪论——飞机结构设计的一般规律及其发展飞机是高度综合的现代科学技术的体现。100多年来，飞机随着科学技术的进步而取得了很大的发展，而航空技术不断提出的新要求也同时对科学技术的发展起了促进、推动的作用。在现代飞机上，综合运用了一系列基础科学、应用科学和工程技术的最新成就，包括力学、材料学，电子技术、计算机技术、喷气推进技术、自动控制理论和技术以及制造工艺等各个方面的成果，实际上现代飞机已成为一个先进而又复杂的工程系统。正因为如此，也促使飞机的设计工作、设计方法随之不断发生着变化和革新，并逐步向系统工程的设计方法发展。1．1飞机分类和飞机研制过程•军用飞机的功用主要是完成空中拦击、侦察、轰炸、攻击．预警、反潜，电子干扰以及军事运输、空降等任务。•民用飞机是指非军事用途的飞机，包括商业用的旅客机、货机等运输机，它们已成为一种快速、方便、舒适、安全的交通运输工具；还有一些通用航空中使用的飞机，如用于农业作业、护林造林、救灾、医疗救护、空中勘测和体育运动等。飞机按其功用可分为军用飞机民用飞机技术要求使用技术要求（民用飞机)战术技术要求(军用飞机)它包括飞机最大速度、升限、航程、起飞着陆滑跑距离、载重量、机动性(对战斗机)等指标和能否全天候飞行，对机场以及对飞机本身的维修性、保障性等方面的要求。从发展看军用飞机和现代大型旅客机的飞行速度、升限和航程都不断增加。现代战斗机的最大飞行速度通常为音速的两倍多，即Ma2；飞行升限约在20,000m以上。苏-30MK和阵风式战斗机均为第三代(也有称之为三代半的)高机动性超音速战斗机。苏-30MK设计中采用翼-身融合技术，Mamax为2.49，升限为18.5km，转场航程达3,700km，且机动性能很好，使用载荷系数可高达9g，能完成著名的“眼镜蛇”机动。随着航空电子技术的迅猛发展，未来的战场环境机动更加恶劣而复杂，各种新型雷达、先进探测器以及精确制导武器的问世，对军用飞机构成了极为严重的威肋、为了提高军用飞机的生存力和战斗力，各国正努力发展低可见度的隐身技术。图1-1F-117A隐身战斗／攻击机4-左侧武器舱3-武器舱门(打开)机头电子设备舱前起落架多螺栓翼根连接点主起落架复合材料前缘三梁抗扭翼盒结构；机翼整体油箱内、外侧升降副翼复合材料后缘方向/升降舵(采用大量复合材料)；V形尾翼下部固定段扁宽的发动机排气口涂有吸波材料(RAM)的蒙皮机背油箱上仰的空中加油插孔左、右侧进气道18-采用BLU-109穿透弹头的GBU-27炸弹19-GBU型2000磅激光制导炸弹(机内武器舱内也可携带各种战术战斗机常用的武器，在空战中有自卫能力)目前正在发展中的第四代战斗机(俄罗斯称之为第五代战斗机)更着重强调同时具备隐身技术、超音速巡航、过失速机动和推力矢量控制、近距起落和良好的维修性等性能。美国的F-22是其第一个代表机种。采用了连续曲率造型，结构上使用了很多新材料，飞机的性能全面提高。现代军用运输机和一些大型远程旅客机的航程和载重量越来越大，有的航程可达10000km以上。军用运输机如C-5A载重量将近100t，可运载350名士兵或一辆坦克加上两架小型直升机；俄罗斯的安-225载重量则高达225t。大型旅客机载客可达500名；且有的客机Ma数可达到2以上(如“协和”号)。目前有些国家还在研制可载客600～800名的超大型旅客机。图1．2为旅客机L—1O11的示意图。前机身L-1011旅客机结构分解图中机身后机身尾段整流罩整流罩雷达天线罩机翼、乘员舱下部组件乘员舱上部组件机身壁板断面客舱舱门(2)客舱舱门(3)中货舱舱门(2)机翼中央翼盒应急出口舱门(5)发动机进气口s型进气道气密框机身尾段结构垂直安定面前缘垂直安定面翼盒垂直安定面翼尖方向舵中发动机(即2号发动机)支持结构2号发动机2号发动机整流罩升降舵水平安定面翼尖水平安定面翼盒水平安定面前缘辅助动力装置舱门起落架舱门客舱舱门(4)机身龙骨梁组件主起落架舱门机翼扰流板(6块)双缝襟翼外副翼双缝襟翼机翼翼尖机翼受力翼盒内副翼；机翼前缘前缘缝翼(7块)1号发动机吊架1号发动机1号发动机整流罩前面几种飞机可见，由于各种飞机的用途和设计要求不同，会带来飞机气动布局和结构设计上的差别。但是飞机设计的基本概念、设计原理和设计方法是一致的，因此下面将在对典型结构型式进行分析的基础上将主要介绍飞机设计的基本概念、设计原理和方法。一、飞机的研制过程一种新飞机的投入使用，须经过下述四个阶段1．拟订技术要求2．飞机设计过程3．飞机制造过程4．飞机的试飞、定型过程1．拟订技术要求通常司由飞机设计单位和订货单位协商后共同拟订出新飞机的战术技术要求或使用技术要求，技术要求确定了飞机的主要性能指标、主要使用条件和机载设备等。设计单位必须保证新飞机能达到这些技术要求，订货单位则根据这些要求来验收新飞机。飞机的技术要求是飞机设计的基本依据2．飞机设计过程飞机设计单位根据拟订好的飞机技术要求进行飞机设计。飞机设计一般分为两大部分：总体设计结构设计总体设计：主要工作是确定全机主要参数，即全机重量G，发动机推力P和翼载G／S(S为机翼面积)；确定飞机的基本外形，如机翼、尾翼平面形状、大致尺寸和气动布局；选择发动机；然后进行飞行性能的初步估算。如满足要求，则画出飞机的三面图；进行飞机的部位安排；确定结构型式和主要受力构件布置，并给出飞机各部件的重量控制指标。结构设计：在总体设计基础上，进行飞机各部件结构的初步设计(或称结构打样设计)；对全机结构进行强度计算；完成零构件的详细设计和细节设计，完成结构的全部零构件图纸和部件、组件安装图。3.飞机制造过程飞机制造工厂根据飞机设计单位提供的设计图纸和技术资料进行试制。完成后装上全部设备系统和发动机。由飞机工厂首批(一般称“O”批，生产2～4架)试制出来的新飞机即可投入全机强度、疲劳和损伤容限的验证试验和试飞。随着计算机技术的迅猛发展，目前设计单位中大部分设计工作借助计算机辅助设计系统(CAD)来完成，包括分析、计算、构形设计，并可直接用计算机绘图、发图。有的已发展到CAI/CAM一体化，可采用无图设计，只需在制造时把已储存在计算机里的全部数据传递给计算机辅助制造系统(CAM)，使整个飞机的设计和制造过程达到高度的集成化。计算机辅助制造系统(CAM)，使整个飞机的设计和制造过程达到高度的集成化。4．飞机的试飞、定型过程在通过全机静强度试验、某些必要的疲劳、损伤容艰的早期验证试验、起落架试验和全机各系统试验后进行试飞。通过试飞全面检验飞机能否确保安全，性能是否满足技术要求。把设计、制造中和试飞中出现的各种问题，通过更改设计或改进制造方法等全部排除。最后将飞机定型投入小批量生产。在新飞机的研制过程中，往往须进行相当数量的科学研究和试验。比如为选择满意的外形须做大量的风洞试验；对用新材料(如复合材料)制作的结构性能进行某些专题研究和试验(详见6.7节)；对某些关键的结构件或结构设计方案进行必要的疲劳或损伤容限的设计研制试验，为详细设计提供数据或进行早期验证等。新飞机的研制工作还要与使用密切结合。这包括在设计过程中要充分利用以往的使用经验；还有在新飞机的使用过程中收集各方面的反馈信息，不断改进设计。1．2飞机结构设计的原始条件和设计过程简介一、“结构”与“结构设计”的含义飞机结构设计是飞机设计的主要阶段。“结构”是指“能承受和传递载荷的系统”——即“受力结构”。它通常可由几个到几千个零件结合在一起构成，相互之间没有相对运动，同时能承受指定的外载，满足一定的强度、刚度、寿命、可靠性等要求。只用以维持外形或仅供装饰用的元件不包括在结构内，譬如低速飞机上的机翼蒙布，只受少量局部气动力而不参与机翼的整体受力，故不作为结构元件；旅客舱内的装饰板、飞机表面上(如机翼根部)的整流包皮等也不作为结构元件。一架飞机的整个结构，包含机翼、尾翼、机身、发动机短舱、起落架、操纵系统(指机械操纵系统部分)及其他系统的受力结构等部件结构或组件结构。机翼、机身这样的大结构。通常称为部件结构机翼、机身又可沿翼展方向或机身纵向分成几个大段，这样的一大段结构常称为组件结构。组件结构还可以分为小组件、构件等结构。零件为不需做装配的基本单位。构件由很少几个零件装配而成。当零件与构件(常统称为零构件)飞机结构中作为有一定功用的基本单元时常称为元件，如翼肋、梁、框等，它可以是一个构件。也可以是零件。图1.2为L-1011旅客机的结构分解图“结构设计”是指根据结构设计的原始条件，按照结构设计的基本要求，提出合理的设计方案以及进行具体的部件和零构件设计，进行强度计算和必要的试验，最后绘制出结构图纸，完成相应的技术文件，以使生产单位能根据这些图纸和技术文件进行生产。二、结构设计的原始条件结构设计的原始条件1．外载及对结构受力特性的要求3．结构的使用条件4.结构的生产条件2.飞机结构的协调关系在进行结结构设计之前，必须先把结构设计的原始条件分析清楚，它主要包括以上4点。1．结构的外载以及对结构受力特性的要求飞机结构必须保证在所受外载下有足够的强度、刚度、寿命和高可靠性，因此首先必须确定结构的外载。飞机各部件所受的外载由飞机的机种、总重、外形尺寸、使用要求等条件根据飞机强度规范算出。根据外载就能对结构提出受力特性的要求。例如是静载还是动载，是否需要考虑疲劳寿命或经济寿命以及热应力、热刚度和振动等。结构特性还包括对某些结构，如机翼、尾翼等，要求有足够的总体刚度和局部刚度；有时还须考虑气动弹性问题。2.飞机结构的协调关系飞机结构的形状通常并不可以任意选定。在总体设计阶段，一般已确定了各部件的外形、相对位置以及相互间连接交点的位置。在进行部件结构打样设计时应尽量保持它们的协调关系，对于飞机零、构件，则须明确本零件或构件与其他构件在连接尺寸上的协调关系，以及各构件间、或各构件与内部装载之间的形状协调。如加强框结构的外侧边界应与飞机的理论外形相协调；其内侧边界则有时可能须与某个内部装载，如发动机进行空间协调(见图1．4)。(b)几种可能的加强框结构高度布置(a)内外侧尺寸限制；1-蒙皮内形即加强框外形；2-发动机；3-最小间隙；4-加强框内侧尺寸限；图1-4机身加强框的内外侧尺寸协调3．结构的使用条件结构的使用条件环境条件起飞着陆场所条件维修条件和使用条件(1)环境条件是指飞机在飞行或停机时的气象条件或周围介质条件。气象条件是指大气温度和湿度变化范围，飞机若能在夜间或恶劣气象(雷雨、冰雹等)条件下飞行，则为全天候飞机。周围介质条件是指结构所处环境周围介质状态，如海水腐蚀等。(2)起飞着陆场所条件飞机可以分为只在地面机场起飞着陆的陆上飞机和在水面上起飞降落的水上飞机两大类。机场又可分为水泥跑道、土跑道，水泥跑道又可分为一级跑道或二级跑道。着陆场所、条件的不同会使结构受载和对起落装置的要求不同。(3)维修条件和使用条件飞机结构在使用时的维修条件，包括维修周期与次数、维修能力、维修速度要求，以及对维修场所如在外场维修，还是到场站或基地维修等。不同类型的飞机、同一类型但性能不同的飞机，其使用条件和维修条件均会有所不同，在结构设计前应明确。返回4.结构的生产条件结构的生产条件主要指飞机的产量和工厂的加工能力与装配能力。产量不同在选择结构的设计和工艺方案时会有所不同。例如只生产几件零、构件时，一般不宜采用模锻件和精密铸造件；当大量生产时，就可以考虑采用模锻、精密铸造等适合于大量生产的工艺方案加工能力是指飞机制造工厂所具有的设备，工艺员和工人的技术水平与加工经验，以及采用新材料新工艺的可能性。飞机结构的设计人员应对生产厂的情况很熟悉，这样才能设计出具有良好工艺性的结构。三、结构设计过程简介•飞机结构设计主要指机翼、尾翼、机身、发动机舱和起落架等机体结构设计和操纵系统设计飞机结构设计过程大致有以下各个典型阶段：(1)了解结构的使用条件、生产条件，以及总体设计已基本确定的结构外形尺寸、主要部件初步确定的结构型式和各种协调关系。(2)通过计算和试验。确定外载荷的大小、分布、性质。(3)进行部件的打样设计。确定结构布局的可能方案