飞机结构设计翼面结构.pptx

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1、2023/3/221二、机翼结构设计的原始依据二、机翼结构设计的原始依据机翼结构设计机翼结构设计的原始依据的原始依据全全 机机 参参 数数机翼外形参数机翼外形参数翼载翼载 p=Y/S 或或 G/S机翼面积机翼面积 S机翼最大过载系数机翼最大过载系数 n机翼的位置机翼的位置机翼内部布置机翼内部布置上、中、下单翼上、中、下单翼分开分开 或或 贯穿机身贯穿机身机翼机翼-机身连接方式机身连接方式机翼整体油箱、安装发动机、设备、起落架等机翼整体油箱、安装发动机、设备、起落架等展弦比展弦比机翼展长机翼展长 翼型相对厚度翼型相对厚度后掠角后掠角尖削比尖削比 接接下下页页第1页/共47页2023/3/222机

2、翼结构设计机翼结构设计的原始依据的原始依据接接上上页页机翼的外挂机翼的外挂不同外挂的组合要求、不同外挂的组合要求、外挂的惯性数据等。外挂的惯性数据等。强度刚度设强度刚度设计参数计参数各种情况下的质量数据，各种情况下的质量数据，如：起飞着陆质量、基本如：起飞着陆质量、基本强度计算质量等。强度计算质量等。各种机动飞行包线各种机动飞行包线安全系数安全系数机翼使用维护要求机翼使用维护要求可选的结构材料及材料性能数据可选的结构材料及材料性能数据第2页/共47页2023/3/223三、机翼结构设计的步骤三、机翼结构设计的步骤机翼结构设计机翼结构设计打样设计打样设计详细设计详细设计机翼内部安排、确定设计分离

3、面、机翼内部安排、确定设计分离面、选择结构型式、布置主要受力构件、选择结构型式、布置主要受力构件、绘制机翼理论图及打样图。绘制机翼理论图及打样图。完成机翼零、构件设计，从零件、完成机翼零、构件设计，从零件、构件、组件到部件的全套生产图构件、组件到部件的全套生产图纸，并完成机翼强度、刚度、寿纸，并完成机翼强度、刚度、寿命的全部计算。命的全部计算。机翼结构设计的具体步骤：机翼结构设计的具体步骤：外载和内外载和内力计算力计算内部安排，确定结构型内部安排，确定结构型式、设计分离面、对接式、设计分离面、对接方式，布置主要受力构方式，布置主要受力构件，绘制打样图件，绘制打样图设计计算，设计计算，对各元件对

4、各元件的强度进的强度进行设计行设计绘制机绘制机翼理论翼理论图图打样打样设计设计阶段阶段Today the design mission relies on CAD system,and then the drawing is not so important.第3页/共47页2023/3/224机翼结机翼结构元件构元件设计设计结构强度、结构强度、刚度校核刚度校核计算计算绘制生产图纸绘制生产图纸给出疲劳寿命给出疲劳寿命和检查周期和检查周期工作设工作设计阶段计阶段四、机翼结构型式的确定四、机翼结构型式的确定(属打样设计阶段属打样设计阶段)现代飞机设计中，机翼结构型式在总体阶段必须考虑。总体方现代飞

5、机设计中，机翼结构型式在总体阶段必须考虑。总体方案冻结后，各部件的结构受力型式和主要受力构件的布置也就基本案冻结后，各部件的结构受力型式和主要受力构件的布置也就基本确定，在结构设计中不允许随意修改。确定，在结构设计中不允许随意修改。1 1、各种受力结构型式的特点、各种受力结构型式的特点梁式梁式主要结构特点是主要结构特点是主要结构特点是主要结构特点是:纵向有很强的翼梁，蒙皮较薄，长桁较弱，梁纵向有很强的翼梁，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。的缘条剖面与长桁剖面相比要大得多。优优优优 点点点点:结构简单，蒙皮上打开口方便，开口对结构承弯能力影结构简单，蒙皮上打开口方便，开口

6、对结构承弯能力影响很小；连接简单，对接点少。响很小；连接简单，对接点少。机翼结构形式的确定机翼结构形式的确定第4页/共47页2023/3/225缺缺缺缺 点点点点:蒙皮未能发挥承弯作用，材料利用不充分；蒙皮易失稳，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。影响气流质量，增大阻力，并易导致早期疲劳损坏；生存性低。单块式单块式主要结构特点是主要结构特点是主要结构特点是主要结构特点是：长桁较多较强，蒙皮较厚，翼肋较密，一般梁长桁较多较强，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缘条的剖面面积不大

7、，有时只布置纵墙而不采用缘条面积较大的翼梁。翼梁。优优优优 点点点点：蒙皮在气动载荷作用下变形较小，气流质量高。材料向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。外缘分散，抗弯、抗扭强度及刚度均有所提高。安全可靠性好。缺缺缺缺 点点点点：结构复杂，对开口敏感。与中翼或机身接合点多，连接结构复杂，对开口敏感。与中翼或机身接合点多，连接复杂。复杂。单块式机翼的结构特点第5页/共47页2023/3/226多腹板式多腹板式主要结构特点是主要结构特点是主要结构特点是主要结构特点是：这类机翼布置了较多的纵墙，蒙皮较厚。厚蒙这类机翼布置了较多的纵墙

8、，蒙皮较厚。厚蒙皮单独承受全部弯矩。皮单独承受全部弯矩。优优优优 点点点点：抗弯材料分散在剖面上下缘，结构效率高；局部刚度及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。总体刚度大；受力高度分散，破损安全特性好，生存性高。缺缺缺缺 点点点点：不宜大开口；与机身连接点多。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型式的主要区别在于梁式、单块式、多腹板式三种机翼受力型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

9、，通常是后者的形心距较高，结构效率可能较高，重面积相同时，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。对于具体情况有待进一步分析。量可能较轻。对于具体情况有待进一步分析。第6页/共47页2023/3/227（1 1）机翼的相对载荷）机翼的相对载荷 M/HBB 受力翼盒的弦长（近似取为受力翼盒的弦长（近似取为60%60%的弦长）的弦长）H 翼盒的平均高度（近似取为翼盒的平均高度（近似取为80%翼型最大高度翼型最大高度H）相对载荷的意义：相对载荷的意义：相对载荷的意义：相对载荷的意义：单位宽度壁板上所受单位宽度壁板上所受的轴向力的轴向力2 2、相对载荷相对载荷、有效高度比有效高度比与结

10、构受力型式选择之间的与结构受力型式选择之间的关系关系第7页/共47页2023/3/228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公式为 （主要从受压区的情况进行分析）（主要从受压区的情况进行分析）相对载荷为相对载荷为可见可见 G/S、l、n 等参数愈大，等参数愈大，C 愈小，则相对载荷愈大。愈小，则相对载荷愈大。利用翼载和过载系数估算机翼对称面利用翼载和过载系数估算机翼对称面上的最大弯矩上的

11、最大弯矩第8页/共47页2023/3/229Heff 有效高度，上、下缘条的形心间距有效高度，上、下缘条的形心间距（2 2）有效高度比讨讨 论论当相对载荷很小时当相对载荷很小时当相对载荷很小时当相对载荷很小时 a)对于分散受力型式，根据对于分散受力型式，根据 b决定的蒙皮厚度与桁条决定的蒙皮厚度与桁条截面积可能很小，失稳临界应力截面积可能很小，失稳临界应力 cr 就可能大大低于就可能大大低于 b。如果按如果按 cr确定构件尺寸，从确定构件尺寸，从 b角度衡量，材角度衡量，材料利用不充分。料利用不充分。HHeffHB第9页/共47页2023/3/2210 讨讨 论论b)b)对于梁式，由于受正应力

12、的面积集中在梁缘条，其对于梁式，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表面的距离较大而使H Heff eff 有所降低，但总的说来可能有所降低，但总的说来可能还是有利的。特别地，当还是有利的。特别地，当C C 较大时，较大时，H Heffeff 不会显著不会显著降低。降低。当相对载荷较大时当相对载荷较大时当相对载荷较大时当相对载荷较大时&对于分散受力型式，长桁、蒙皮在各切面处的面积不对于分散受力型式，长桁、蒙皮在各切面处的面积不致太小，不易失稳，也即致太小，不易失稳，也即 cr 不致很小；上、

13、下纵向元件的不致很小；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。形心间距大，结构效率高些，总的来说是有利的。第10页/共47页2023/3/2211&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，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。因而更有利。总结结结结结 论论论论 仅就仅就相对载荷相对载荷和和有效高度比有效高度比这两个参数而言这两个参数而言,对于梯形对于梯形比在比在1-4之间的平直机翼和后掠机翼，一般地之间的平直机翼和后掠机翼，一般地 M/HB 较大较大:相对厚度相对厚度C较小时，宜采用多腹板式结构；较小时，宜采用多腹板

14、式结构；相对厚度相对厚度C较大时，宜采用单块式结构；较大时，宜采用单块式结构；当当 M/HB 较小较小相对厚度相对厚度C较大时，宜采用梁式结构。较大时，宜采用梁式结构。第11页/共47页2023/3/2212（3 3）三角机翼的受力型式）三角机翼的受力型式 三角机翼三角机翼(根部根部)的弯矩计算公式的弯矩计算公式Bf 机身宽度机身宽度通常三角机翼的弯矩较小，根部剖面的绝对高度较大，通常三角机翼的弯矩较小，根部剖面的绝对高度较大，因而其因而其相对载荷相对载荷较小。较小。三角机翼的相对厚度一般较小，但翼剖面的绝对高度较三角机翼的相对厚度一般较小，但翼剖面的绝对高度较大，梁的结构效率仍比较高，大，梁

15、的结构效率仍比较高，故故大多采用梁式结构大多采用梁式结构。翼尖部分弦长下降快，一般采用单块式或整体结构。翼尖部分弦长下降快，一般采用单块式或整体结构。（3 3）三角机翼的受力型）三角机翼的受力型式式第12页/共47页2023/3/2213机机 种种F-86D米格米格-15F-104波音波音-707L-29幻影幻影-平面形状平面形状后掠后掠后掠后掠平直平直后掠后掠平直平直三角形三角形相对厚度相对厚度11.5%10.4%3.36%12%17%4%相对载荷相对载荷(105)4.703.625.8519.32.120.82有效高度比有效高度比(%)9190.5结构型式结构型式单块式单块式单块式单块式多

16、腹板式多腹板式单块式单块式单梁式单梁式多梁式多梁式（3 3）三角机翼的受力型）三角机翼的受力型式式实实实实 例例例例 第13页/共47页2023/3/22143 3、选择受力型式的注意事项选择受力型式的注意事项前述各种机翼结构型式的特点，以及相对载荷、有效高度前述各种机翼结构型式的特点，以及相对载荷、有效高度比等，是单纯从结构的角度考虑。比等，是单纯从结构的角度考虑。实际上结构受力型式的选择在很大程度上受飞机总体布局实际上结构受力型式的选择在很大程度上受飞机总体布局中多种因素的影响，需要综合衡量。中多种因素的影响，需要综合衡量。（1）机翼内部布置，机翼内部布置，如收放起落架，布置大开口等。如收

17、放起落架，布置大开口等。（2）机翼、机身的相对位置，以及机身内部的布置，机翼、机身的相对位置，以及机身内部的布置，影影响机翼响机翼-机身的对接形式，进而影响到机翼受力型式的选择。机身的对接形式，进而影响到机翼受力型式的选择。（3）机翼的几何参数，机翼的几何参数，如后掠翼、三角翼等。如后掠翼、三角翼等。第14页/共47页2023/3/2215五、机翼主要受力构件布置五、机翼主要受力构件布置机翼主要受力构件布置机翼主要受力构件布置机翼主要受力构件布置机翼主要受力构件布置指具体确定机翼主要受力构件的布置方式、数量和位置。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：主要受力构件有

18、：梁、墙、加强肋、普通肋、桁条等。梁、墙、加强肋、普通肋、桁条等。1、主要受力构件布置的原则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确保气动载荷引起的弯、剪、扭能顺利可靠地传向机身。身。2)在集中力、集中力矩作用处，要布置相应的构件（加在集中力、集中力矩作用处，要布置相应的构件（加强肋、辅助短梁等）。一是将集中力扩散，二是将扩强肋、辅助短梁等）。一是将集中力扩散，二是将扩散后的分布力传给机翼结构受力盒段，再由盒段将载散后的分布力传给机翼结构受力盒段，再由盒段将载荷往机翼根部传给机身。荷往机翼根部传给机身。第15页/共47页2023/3/22161、主要受力构件布

19、置的原主要受力构件布置的原则则3)一般地，传力越直接越好，结构重量越轻。一般地，传力越直接越好，结构重量越轻。4)布置加强构件应尽量做到综合利用，以减轻重量。布置加强构件应尽量做到综合利用，以减轻重量。5)受力构件连接处应尽量避免或减少偏心。受力构件连接处应尽量避免或减少偏心。2、主要受力构件的布置主要受力构件的布置1)梁与墙的布置梁与墙的布置q数量：数量：一般现代运输机上，机翼至少有两根梁。一般现代运输机上，机翼至少有两根梁。形成承扭闭室；可作整体油箱壁板形成承扭闭室；可作整体油箱壁板q位置与布置方式：一般一般前梁前梁位于能与机翼前缘缝翼、前缘襟翼（如有的话）位于能与机翼前缘缝翼、前缘襟翼（

20、如有的话）相连的位置相连的位置(一般地，约一般地，约12-17%b)；后梁后梁在能与操纵面相连的位置在能与操纵面相连的位置(一般地，一般地，约约55-60%b)。第16页/共47页2023/3/2217 从受力合理看从受力合理看：(1)1)梁最好能纵贯全翼展，且轴线尽量不折转梁最好能纵贯全翼展，且轴线尽量不折转(2)(2)尽可能布置在结构高度较大的部位尽可能布置在结构高度较大的部位(3)(3)沿展向最好按弦长等百分比线布置沿展向最好按弦长等百分比线布置翼肋的布置翼肋的布置2)翼肋的布置翼肋的布置q数量：数量：翼肋的间距可按蒙皮格子的临界应力的大小确定，也可按桁条总体和翼肋的间距可按蒙皮格子的临

21、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。影响翼盒结构总重。局部失稳临界应力相等的要求确定。影响翼盒结构总重。q位置与布局方式：位置与布局方式：普通翼肋普通翼肋 顺流布置顺流布置 翼肋翼肋 翼肋的布置翼肋的布置 加强翼肋加强翼肋 正交布置正交布置第17页/共47页2023/3/2218顺流布置的优点顺流布置的优点维持机翼剖面形状较好；相同翼肋间距下，数量要少等等。维持机翼剖面形状较好；相同翼肋间距下，数量要少等等。翼肋的布置翼肋的布置顺流布置的缺点顺流布置的缺点翼肋长度增加；翼肋长度增加；缘条扭曲；蒙皮受压稳定性差缘条扭曲；蒙皮受压稳定性差等等。等等。顺流布置的应用顺流

22、布置的应用一般用于机翼一般用于机翼蒙皮较厚，翼肋对蒙皮支持作蒙皮较厚，翼肋对蒙皮支持作用较小，或机翼局部区域。用较小，或机翼局部区域。第18页/共47页2023/3/2219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。桁条的布置桁条的布置第19页/共47页2023/3/22203)桁条的布置桁条的布置q数量：数量：桁条的间距根据蒙皮失稳临界应力来定确定。桁条的间距根据蒙皮失稳临界应力来定确定。第20页/共47页2023/3/2221位置与布局方式：位置与布局方式：按百分比线布置按百分比线布置(聚交式聚交式)长桁布置长桁布置 平行于前梁或后梁平行于前梁或后梁按百分

23、比线布置的特点按百分比线布置的特点桁条无扭曲，桁条截面面积变桁条无扭曲，桁条截面面积变桁条的布置桁条的布置 化或截断等。化或截断等。平行布置的特点平行布置的特点扭曲，逐渐扭曲，逐渐切断等。切断等。第21页/共47页2023/3/22224.9 机翼结构元件设计机翼结构元件设计一、翼梁设计一、翼梁设计梁的构造形式梁的构造形式梁的构造形式梁的构造形式构构 架架 式式腹腹 板板 式式1、梁的构造形式和常用的剖面形状、梁的构造形式和常用的剖面形状梁分析的简化假设：梁腹板简化成只受剪力的板，上、下缘条则作为杆，用来梁腹板简化成只受剪力的板，上、下缘条则作为杆，用来承受一对轴力。承受一对轴力。理由：缘条厚

24、度一般远比梁的总高度小，腹板厚度远比缘条厚度小。理由：缘条厚度一般远比梁的总高度小，腹板厚度远比缘条厚度小。在老式低速飞机上曾经使用在老式低速飞机上曾经使用 组组 合合 式式 整体锻造式整体锻造式第22页/共47页2023/3/22232、缘条设计、缘条设计初步设计时，缘条的拉压轴力初步设计时，缘条的拉压轴力N为为N=M/H H上、下缘条剖面形心间距上、下缘条剖面形心间距承拉缘条的剖面面积承拉缘条的剖面面积为为Fl=N/b承压缘条的剖面面积承压缘条的剖面面积为为Fl=N/cr cr缘条的局部失稳临界应力缘条的局部失稳临界应力缘条与腹板的设计梁梁的的截截面面形形状状第23页/共47页2023/3

25、/22243 3、腹板设计、腹板设计 腹板可简化成四边受剪的平板。腹板可简化成四边受剪的平板。缘条与腹板的设计（1 1）抗剪型腹板设计）抗剪型腹板设计 此类腹板的二种破坏形式：此类腹板的二种破坏形式：剪切破坏剪切破坏和和剪切失稳剪切失稳由剪切破坏确定的腹板厚度由剪切破坏确定的腹板厚度 1 Q/h b b由剪切失稳确定的腹板厚度由剪切失稳确定的腹板厚度 抗剪型抗剪型不允许剪切失稳不允许剪切失稳 腹板腹板 张力场型张力场型腹板可以失稳腹板可以失稳第24页/共47页2023/3/2225二、桁条设计二、桁条设计其中其中 K 根据支持情况和板的短边与长边之比，查设计手根据支持情况和板的短边与长边之比，

26、查设计手册可得册可得；q 为剪流为剪流；b腹板短边长度腹板短边长度。一般说来一般说来 crb，故故 2 1，因此取，因此取 2为设计值为设计值。（2 2）张力场梁设计）张力场梁设计 张力场梁及半张力场梁的原理和计算方法参阅有关资料，张力场梁及半张力场梁的原理和计算方法参阅有关资料，按其原理进行设计。按其原理进行设计。二、桁条设计二、桁条设计1、截面确定的原则、截面确定的原则 截面积截面积A应保证在受拉区满足应保证在受拉区满足静强度静强度，在受压区，在受压区不失稳不失稳（总体失稳与局部失稳）。（总体失稳与局部失稳）。第25页/共47页2023/3/22262、长桁剖面的形状、长桁剖面的形状三、翼

27、肋设计三、翼肋设计四、蒙皮与加筋板设计四、蒙皮与加筋板设计第26页/共47页2023/3/2227四、蒙皮与加筋板设计四、蒙皮与加筋板设计蒙皮与加筋板，以及它们的连接示图蒙皮与加筋板，以及它们的连接示图 与翼梁构造类似，但其腹板一般采用受剪板或桁架式，不用张力场形式。与翼梁构造类似，但其腹板一般采用受剪板或桁架式，不用张力场形式。B787和和A380前缘肋采用桁架式，由拓扑优化而来。前缘肋采用桁架式，由拓扑优化而来。第27页/共47页2023/3/2228五、对接接头设计五、对接接头设计机翼接头是飞机结构最关键区域之一，尤其涉及到疲劳问题时。机翼接头是飞机结构最关键区域之一，尤其涉及到疲劳问题

28、时。接头形式包括：耳片接头、螺栓接头、拼接接头、齿垫接头、组合式接头等。接头形式包括：耳片接头、螺栓接头、拼接接头、齿垫接头、组合式接头等。典型形式与实例典型形式与实例第28页/共47页2023/3/2229耳片接头的几种形式耳片接头的几种形式 第29页/共47页2023/3/2230梁式机翼固定接头梁式机翼固定接头-垂直耳片连接垂直耳片连接第30页/共47页2023/3/2231机翼固定接头机翼固定接头-水平耳片连接水平耳片连接第31页/共47页2023/3/2232拼接接头实例拼接接头实例第32页/共47页2023/3/2233受拉螺栓连接实例受拉螺栓连接实例第33页/共47页2023/3

29、/2234拼接与受拉螺栓组合连接拼接与受拉螺栓组合连接第34页/共47页2023/3/2235过上反角和后掠中断处的翼梁缘条拼接过上反角和后掠中断处的翼梁缘条拼接第35页/共47页2023/3/2236后掠翼战斗机典型耳片连接后掠翼战斗机典型耳片连接第36页/共47页2023/3/2237连接形式优点缺点备注耳片式拉伸螺栓拼接式组合式工艺简单拆、装方便对薄翼型战斗机经济性好同上重量轻可靠性高具有破损安全特性可靠破损安全工艺较简单重量大同上成本稍高工艺要求高重量大几种连接的特点几种连接的特点第37页/共47页2023/3/2238总总 结结p机翼结构设计的原始依据p机翼结构设计的步骤p机翼结构型

30、式的确定p机翼主要受力构件的布置原则、数量和布置方式p机翼结构元件设计的原则第38页/共47页2023/3/2239第第十十讲讲结结束束第39页/共47页2023/3/2240练习题练习题习题1：机翼结构受力型式的确定取决于那些因素？它们是如何影响的？结合12个实例进行综合分析。第40页/共47页2023/3/2241翼梁截面图翼梁截面图用于腹板止用于腹板止裂，裂，fail-safe design第41页/共47页2023/3/2242翼梁的构造形式图翼梁的构造形式图腹板腹板(组合组合)式式构架式翼梁构架式翼梁整体锻造式整体锻造式第42页/共47页2023/3/2243整体壁板标准截面、带结合型面的整体壁板、复合材料壁板图整体壁板标准截面、带结合型面的整体壁板、复合材料壁板图第43页/共47页2023/3/2244夹层蒙皮及其连接图夹层蒙皮及其连接图第44页/共47页2023/3/2245典型战斗机和运输机翼盒材料、数据典型战斗机和运输机翼盒材料、数据第45页/共47页2023/3/2246典型战斗机和运输机翼盒材料、数据典型战斗机和运输机翼盒材料、数据第46页/共47页2023/3/2247感谢您的观看！第47页/共47页