飞机结构--飞机结构与系统

飞机结构张宏伟飞机外载荷按作用形式分为集中载荷分布载荷飞机外载荷按作用性质分为静载荷动载荷飞机外载荷按飞机所处的状态分为飞行时起飞、着陆、地面运动时飞行中的外载荷种类重力空气动力发动机推力（拉力）状态定常飞行非定常飞行水平飞行超载定义飞行中，作用在飞机上的外载荷的大小和方向用超载n表示。分类沿纵轴nx沿横轴nz沿立轴ny对飞机结构强度影响较大的超载是ny超载ny定义飞机超载为代数值，既有大小又有正负。大小表示升力是飞机重量的几倍。正负表示升力的方向。WLny机动超载γγLWcos1WLnyNn突风超载突风超载000222121vuvvuvSvCLSvCLyyGSuvCWLny0211部件超载yyyΔnnn部件部件超载-沿纵轴变化εznyΔnyny部件部件超载-沿纵轴变化部件Xg)/(nΔnnnyyyyz部件1部件超载-沿横轴变化εxnyΔnyny部件飞机地面外载荷空气动力飞机重力发动机推力地面对飞机的作用力起落架载荷系数0zz0yy0xxPPnPPnPPn地面载荷垂直载荷水平载荷侧向载荷影响起落架垂直载荷的因素垂直载荷严重受力情况：飞机着陆。.影响因素：着陆重量、飞机接地下沉速度和起落架减震器性能。影响起落架水平载荷的因素飞机着陆瞬间的机轮起旋载荷。飞机着陆滑跑或中断起飞刹车时的地面摩擦力。在不平坦地面滑行或遇到障碍物。影响起落架侧向载荷的因素飞机侧滑着陆。地面滑行转弯。单主轮先着陆。在滑行中使飞机有侧向运动趋势的各种原因。飞机结构承载能力飞机结构承载能力表现在对飞机使用限制和飞机结构承载余量两个方面。飞机使用限制为预期的最大速压。为预期的最大正过载；为预期的最大负过载；最大最大使用最大使用最小最大最大使用最大使用最小qnnqqnnnyyyyy限制CCAR25部中规定：正限制机动超载：2.5~3.8负限制机动超载：绝对值≥1.0小速度、大迎角飞行大速度、小迎角飞行限制使用限制速压最大允许速压最大最大最大最大1.2V21q2机动飞行包线突风超载飞行包线飞机在地面上的使用限制起落架受载的特殊性：多数受载情况为垂直载荷、水平载荷和侧向载荷的不同组合。CCAR-25部对各种组合和相应的限制载荷系数都有具体规定。飞机结构承载余量安全系数设计载荷与使用载荷之比。表示飞机在使用中结构不会破坏而又有一定强度储备的的系数。CCAR-25部规定：除非另有规定，必须采用安全系数1.5。剩余强度系数构件的破坏应力与它在某受载情况设计载荷作用下的计算应力之比成为在此受载情况下该构件的剩余强度系数。该值一般应略大于l.0。它表示结构强度的实际富裕程度。飞机结构适航性要求结构的强度结构的刚度结构的稳定性结构的抗疲劳性能结构的强度要求CCAR-25部要求要点结构强度要用限制载荷和极限载荷来确定要根据机动包线和突风包线典型的各点得到各部分结构的最大载荷。用真实载荷对飞机进行静力实验以确定其强度时，结构必须能够承受极限载荷至少3秒而不破坏。结构刚度的要求CCAR-25部的基本要求飞机结构必须能够承受限制载荷而无有害的永久变形。直到限制载荷的任何载荷作用下，变形不得妨害安全飞行。结构稳定性要求结构稳定性—结构在载荷作用下保持原平衡状态的能力。失稳后载荷不变，变形增加。CCAR-25部基本要求：主要受力结构不允许失稳。飞机结构的抗疲劳要求疲劳性能—结构在交变载荷作用下，抵抗破坏的能力。疲劳破坏的特点：在远小于使结构破坏的静载荷的疲劳载荷长期作用下，产生裂纹并且不断扩展，最后导致结构突然断裂。CCAR-25部对飞机结构抗疲劳性能的要求必须表明结构符合“结构的损伤容限和疲劳评定的要求”。飞机在整个使用寿命期间将避免由于疲劳、腐蚀或意外损伤引起的灾难性破坏。对可能引起灾难性的每一部分（机翼、尾翼、操纵面及其系统、机身、发动机架、起落架以及上述各部分有关的主要连接）必须进行损伤容限（破损安全和离散源）评定。对损伤容限不适用的某些特定结构必须进行疲劳（安全寿命）评定。对涡轮喷气飞机可能引起灾难性破坏的部分要进行声疲劳评定。飞机结构件的分类重要结构项目一般结构项目飞机结构受力基本概念变形飞机结构受力基本概念内力内力的基本形式有：拉力、压力、剪力、弯矩和扭矩。飞机结构受力基本概念应力和应变应力的基本形式有：拉伸应力、压缩应力、剪切应力、弯曲应力和扭转应力。飞机结构受力基本概念应力和应变正应力和正应变LΔLAP飞机结构受力基本概念应力和应变剪应力和剪应变hΔSAQ飞机结构受力基本概念弯矩飞机结构受力基本概念梁截面上正应力的分布飞机结构受力基本概念梁截面上剪应力的分布紧固件和焊缝承受剪切机翼上产生弯曲变形飞机结构受力基本概念扭矩飞机结构基本构件杆件梁组件板件杆件长度比横截面尺寸大很多的构件。细长杆件只能承受沿杆轴线的压力或拉力（二力杆）产生正应力和正应变。飞机结构中常见的杆件：桁条、翼梁的缘条、腹板上的支柱、起落架上的阻力杆和侧撑杆等。组成起落架的基本组件梁组件可以承受垂直组件轴线方向载荷作用的组件闭合剖面的空心杆形梁：能承受弯矩、剪力、扭矩和轴向力，相应的在组件内产生弯曲正应力、剪应力和扭转剪应力。‘工字’形梁：只能承受结构平面内的弯矩和剪力，相应的在组件内产生弯曲正应力（主要由上下凸缘承受）和剪应力（主要由腹板承受）组成机翼的基本组件板件厚度远小于平面内另两个尺寸的组件承力特点：在杆-板结构中,板承受作用于板平面内分布力的能力很强，承受垂直于平面的载荷能力很弱。在飞机结构强度计算中，主要考虑作用在其平面内的载荷。薄板：主要承受平面内剪力产生的剪应力，承受拉和压的能力在杆-板结构中与杆件相比可忽略不计。典型组件：薄蒙皮和腹板。较厚的板件：可承受平面内拉、压和剪力产生的正应力和剪应力。典型构件：高速飞机机翼的蒙皮。板组件的受力情况薄板板组件的受力情况厚板蒙皮上作用的局部气动载荷飞机结构件杆系结构薄壁结构：平面薄壁结构空间薄壁结构杆系结构由杆件和杆件梁组成的结构。典型结构起落架受力结构、发动机吊挂及操纵面的安装支架等。薄壁结构薄壁结构：杆-板结构平面薄壁结构在同一平面内由杆和板组成的受力结构主要承受作用在结构平面内的载荷产生的弯矩，剪力和轴向力。典型构件机翼大梁和上下壁、翼肋、机身隔框等。空间薄壁结构由在不同平面内的平面薄壁结构组成的立体受力结构。能承受外载荷产生的弯矩、剪力和扭矩。典型构件机翼、机身和尾翼等。机翼各组件在承载中的作用剪力：由大粱腹板承受，引起腹板剪切变形，在腹板内产生剪应力。弯矩：由大梁缘条和桁条及蒙皮组成的上和下壁板以受拉和受压的轴向力形式承受，引起壁板拉伸和压缩变形，在上和下壁板内产生正应力（正弯矩使上壁板受压下壁板受拉，负弯矩则相反）。扭矩：由前和后大梁腹板与上下蒙皮组成的封闭盒形以周边受剪切形式承受，引起扭转变形，在上下蒙皮和前后粱腹板内产生剪应力。机翼各组件在承载中的作用垂直尾翼的侧向载荷垂直尾翼的侧向载荷会使飞机后机身承受水平剪力、水平弯矩和扭矩，在后机身构件中产生正应力和剪应力。水平剪力-由上下蒙皮承受;扭矩-由周边蒙皮承受。水平弯矩由后机身左右两侧蒙皮和桁条组成的壁板以受拉、受压的形式承担。在左右两侧蒙皮和桁条内产生拉、压正应力。飞机结构设计思想安全寿命设计思想破损安全设计思想损伤容限设计思想耐久性设计思想作用在机体结构中的主要疲劳载荷周期性循环载荷：地-空-地载荷。气密座舱增压载荷。随机载荷：突风载荷。机动载荷。着陆撞击和地面滑行载荷。安全寿命设计思想安全寿命设计概念：认为新的结构不存在初始可检裂纹，要求结构在使用寿命期内不能出现宏观可检裂纹。即仅考虑裂纹的形成寿命，不考虑带裂纹结构的裂纹扩展寿命。安全寿命：在疲劳载荷作用下，无初始可检裂纹的结构从投入使用到出现可检宏观裂纹的时间间隔。安全寿命设计任务：用数理统计方法，通过设计、试验和分析确定飞机的安全寿命，保证在寿命期内发生疲劳破坏的概率最小。安全寿命设计过程：涉及并贯穿飞机设计、生产和使用的全过程。安全寿命设计思想安全寿命设计有几点不足之处：安全寿命设计不能确保飞机结构安全安全寿命设计不能发挥结构件的使用价值安全寿命设计导致飞机结构重量增大安全寿命设计无法制定科学而经济的维修方案破损安全设计思想破损安全设计概念：破损安全是指一个构件发生破坏之后，它所承担的载荷可以由其它残存结构件继续承担，不影响飞机的正常使用。允许飞机结构有破损，但必须保证飞机的安全。破损安全结构：破损安全多路传力结构。破损安全止裂结构。破损安全设计思想损伤容限设计思想基本含义承认结构在使用前就带有初始缺陷，但必须把这些缺陷或损伤在规定的未修使用期内的增长控制在一定的范围内，在此期间，结构应满足规定的剩余强度要求，以保证飞机结构的安全性和可靠性。由于损伤容限设计承认结构在使用前就带有初始缺陷，并认为由初始缺陷到形成临界裂纹的裂纹扩展寿命即是总寿命，所以它不考虑无裂纹寿命，只考虑带裂纹寿命。损伤容限设计思想基本方法通过损伤容限特性分析与试验，对可检结构给出检修周期，对不可检结构给出最大允许初始损伤。以保证结构在给定的使用寿命期限内，不致由于未被发现的初始缺陷、裂纹或其它损伤扩展而发展成灾难性的破坏事故。与传统的安全寿命设计相比，它是一种比较安全、合理和经济的方法。损伤容限设计思想专业名词损伤容限裂纹扩展寿命剩余强度损伤容限载荷损伤容限设计思想损伤容限结构分类缓慢裂纹扩展结构破损安全结构破损安全多路传力结构破损安全止裂结构破损安全止裂结构耐久性设计思想耐久性设计概念：认为飞机结构在使用前就存在许多微小的初始缺陷，当结构在使用中逐渐形成一定长度和一定数量的裂纹和损伤群时（一个设计使用寿命），必须进行修理-经济性修理。这种修理可以进行若干次，直到满足使用寿命要求。耐久性设计目标：满足经济修理要求和降低使用维护费用，提高飞机的备用性、寿命和可靠性。耐久性设计的基本要求：飞机结构应具有大于一个设计使用寿命的经济寿命。在一个设计使用寿命期内结构不会出现功能消弱或失效。经济寿命必须通过分析和试验验证。耐久性设计思想结构装配技术铆接铆钉的材料铆钉的安装质量采用干涉配合和湿安装实心铆钉采用顶铁，通过敲击成型。按材料和热处理状态分类纯铝铆钉（A铆钉）纯铝制成，强度低，但防蚀性能好。只能用于客舱内饰和一般标牌等铆接上，不能用在结构上。硬铝铆钉外场铆钉（AD铆钉）2117铝合金制成。这种铆钉即使是在淬火时效后，仍具有足够的塑性完成对铆钉的铆打。使用前不需热处理（生产厂家已热处理过），即时可用，适合用于外场修理。具有较高的抗蚀能力，能与多类金属一起使用实心铆钉按材料和热处理状态分类硬铝铆钉“冰箱”铆钉（D、DD铆钉）2017和2024铝合金制成，剪切强度比AD铆钉高，其中DD铆钉最高。使用前应经过热处理，并淬火后放在冰箱内冷冻保存（延迟时效硬化），施工时才从冰箱中取出。一般用在受力大的部位，如翼根部位、加强肋或加强框部位等。如果超过了贮存时限或在冰箱外放置超过规定时间，应将铆钉重新热处理。实心铆钉按材料和热处理状态分类超硬铝铆钉（KE铆钉）有7050和7075两种，剪切强度比硬铝铆钉高。采用-T73过时效处理后，铆钉有较高的耐应力腐蚀和耐疲劳断裂能力。使用前不需要热处理。在结构修理中，可以用来代替DD铆钉。防锈铝铆钉（B铆钉）5056铝镁合金制成，可以在室温下储存和使用。主要用来铆接镁合金件，防止电化学腐蚀。钢铆钉包括软钢铆钉和不锈钢铆钉。软钢铆钉用于铆接钢质零件；不锈钢铆钉用于铆接不锈钢件，如发动机防火墙、尾喷口等。实心铆钉按材料和热处