飞机结构设计.ppt

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1、飞机结构设计1第一章 绪 论授课内容授课内容课时课时第一章第一章 绪论绪论 2 2第二章第二章 飞机的外载荷与设计规范飞机的外载荷与设计规范7 71 1第三章第三章 翼面结构和机身结构分析翼面结构和机身结构分析16162 2第四章第四章 飞机结构设计基础飞机结构设计基础6 6第五章第五章 机翼、尾翼设计机翼、尾翼设计1010第六章第六章 机身及开口区结构设计机身及开口区结构设计8 8第七章第七章 飞机复合材料结构设计飞机复合材料结构设计2 2总结总结2 2合计合计5656第一章 绪 论一、本课程的特点注重基础理论概念的实用化、感性化以及工程化注重综合运用知识概念权衡复杂问题分析，抓住主要矛盾寻

2、找解决问题途径的基本设计理念大量工程结构实例的剖析注重培养自行分析、动手设计的主观能力以及工程实用化的实践能力第一章 绪 论具体要求：注意定性分析，要求概念清楚；实践性强，要求常去机库观察实物；理性推理较差，要求认真上课。第一章 绪 论二、基本内容和基本要求内容：飞机的外载荷不同类型飞机结构的分析；飞机结构的传力分析；飞机结构分析与设计基础；飞机结构主要元构件设计原则；第一章 绪 论内容要求：掌握飞机结构分析和设计的基本手段-传力分析；能够正确解释飞机结构元件的布置；能够正确地分析和设计飞机结构的主要元件 本章内容 1.1 1.1 飞机的研制过程飞机的研制过程 1.2 1.2 飞机结构设计的原

3、始条件飞机结构设计的原始条件 1.3 1.3 飞机结构设计的基本要求飞机结构设计的基本要求 1.4 1.4 飞机结构设计的现代理论与先进技术飞机结构设计的现代理论与先进技术 1.5 1.5 飞机结构设计的内容与方法飞机结构设计的内容与方法 第一章 绪 论71.1飞机的研制过程一、飞机的功用与对飞机的要求 1.1.功用：功用：有效的战斗武器（空战、拦截、攻击、侦察、有效的战斗武器（空战、拦截、攻击、侦察、预警、运输）预警、运输）空空中中运运输输设设备备（载载荷荷、运运货货、农农林林、赈灾、救护、赈灾、救护、勘察、运动）勘察、运动）2.2.要求：要求：技、战术性能指标能满足所需完成的任务。技、战术

4、性能指标能满足所需完成的任务。第一章 绪 论8 军用飞机的技、战术要求：军用飞机的技、战术要求：飞机的最大速度；升限；航程/最大作战半径；起、降滑跑距离；载重；机动性指标（加力性能，盘旋半径，爬升性能，最大允许过载系数）；隐身；维护与保障性能；使用寿命；可靠性与安全性能。民用飞机使用技术要求：民用飞机使用技术要求：有效载重；航程；安全性、可靠性、维修性、经济性。3、飞机工作的最大特性：反复、长期使用。第一章 绪 论9 军用飞机的技、战术要求：军用飞机的技、战术要求：例如，对战术轰炸机提的战术技术要求包括：例如，对战术轰炸机提的战术技术要求包括：一、任务，二、乘员组，三、动力装置，四、主要性能：

5、一、任务，二、乘员组，三、动力装置，四、主要性能：1速度速度 2升限升限 3巡航高度巡航高度 4活动半径活动半径 5起飞着陆距离起飞着陆距离 6轮胎轮胎压力，五、载弹量，六、设备要求，七、自卫武器。压力，五、载弹量，六、设备要求，七、自卫武器。对拦截歼击机提的战术技术要求包括：对拦截歼击机提的战术技术要求包括：一、任务，二乘员，三动力装置，四、主要性能：一、任务，二乘员，三动力装置，四、主要性能：1最大爬最大爬升率升率 2升限升限 3最大平飞马赫数最大平飞马赫数 4着陆速度着陆速度 5续航时间，五、续航时间，五、军械设备，六、其它要求。军械设备，六、其它要求。第一章 绪 论10 使用技术要求：

6、使用技术要求：再如对大型涡轮螺旋桨客机的使用技术要求包括：再如对大型涡轮螺旋桨客机的使用技术要求包括：一、功用，二动力装置数量，三、商务载重，四、乘员组，一、功用，二动力装置数量，三、商务载重，四、乘员组，五五、主主要要性性能能：1）巡巡航航速速度度 2）巡巡航航高高度度 3）海海平平面面爬升率爬升率4）客舱增压）客舱增压 5）起飞滑跑距离）起飞滑跑距离 6）起飞距离）起飞距离 7）着陆滑跑距离）着陆滑跑距离 8）着陆距离，）着陆距离，六六 半数发动机停车后性能要求，七，使用温度范围，半数发动机停车后性能要求，七，使用温度范围，八、对螺旋桨要求，九、设备，十、救生。八、对螺旋桨要求，九、设备，

7、十、救生。第一章 绪 论11二、飞机的研制过程1.技术性能论证与制定（顶层设计）过程依据：依据：军事战略方针及战术（战略防御）要求；军事战略方针及战术（战略防御）要求；商务策略，工、农业生产，赈灾救护等要求；商务策略，工、农业生产，赈灾救护等要求；制定：制定：主要性能指标；主要性能指标；主要使用条件；主要使用条件；机载设备等。机载设备等。效能分析、效能分析、费效分析费效分析第一章 绪 论122.飞机设计过程(1)(1)总体设计：总体设计：气动外形布局设计；飞行力学性能设计；气动外形布局设计；飞行力学性能设计；机载设备（包括燃油）布置等重量分布设计；机载设备（包括燃油）布置等重量分布设计；发动机

8、选型设计；结构总体尺寸设计。发动机选型设计；结构总体尺寸设计。(2)(2)结构设计：结构设计：理论设计（打样设计）；理论设计（打样设计）；强度、刚度设计；强度、刚度设计；细节设计；细节设计；工程绘图。工程绘图。第一章 绪 论13第一章 绪 论飞机结构设计的地位第一章 绪 论 结构设计的任务结构设计的任务：根据飞机型号设计技术要求、飞机三面图、总体布置图、外形图和规定的载荷情况、环境情况、使用方法，结合结构设计基本要求，设计出合乎使用要求且强度、刚度、疲劳、损伤容限品质合格，工艺性良好，满足重量的机体结构，为试制和批生产提供全套的图样和技术文件。应当注意设计阶段的规律：应当注意设计阶段的规律：反

9、复、循环、迭代、反馈；综合性、权衡性 第一章 绪 论163.飞机制造过程 工艺设计、机械加工、部件/全机装配 4.飞机的试飞、定型过程 地面滑跑试验；起、降性能试验；飞行包线中各飞行科目试飞试验；定型：有待结构的静力及疲劳试验完成后，没问题才定型第一章 绪 论17三、飞机研制过程概述1、设计的内涵：创造性的思维过程；全面综合的辨证过程(矛盾分析、抓主要矛盾)设计的不唯一性；设计的反复性；设计的继承性；设计与科学实验的关系。第一章 绪 论182、飞机设计的主要阶段：总体设计阶段；飞机结构的打样设计：结构受力形式选择、受力构件布置、开口布置、分离面及其连接形式设计。飞机结构的详细设计 结构件连接设

10、计、细节设计、工程制图。新机研制中结构设计的一般过程（见下页）第一章 绪 论19结构设计的一般过程总体研制方案论证初步设计详细设计试制与试验试飞与设计定型小批生产与生产定型批生产第一章 绪 论201.2 飞机结构设计的原始条件一、结构设计的主要依据：使用方提出的战技要求或使用技术要求飞机三面图及理论外形图飞机总体布置图重量指标分配及总重量使用寿命要求载荷和使用环境条件维修性要求生产条件和工艺性要求其它有关设计准则、规范和标准第一章 绪 论21二、原始条件1、飞机结构的外载特征以及对结构承载的要求外载的形式(集中的、分布的、冲击型的、周期型、热的等)；外载的历程特征(不同的飞行，载荷的变化规律)

11、；外载对结构的作用效应（抖振、颤振）；结构承载的强度、刚度(静、动、热、整体的、局部的)要求；结构寿命要求；损伤容限要求；经济性要求(生产/维修成本)。第一章 绪 论222、飞机结构的协调关系各部件的相对位置以及相互间连接交点的位置（不能改动）；零、构件之间在连接尺寸上的协调关系；各构件间或构件与内部装载间的位置、形状协调；部件或组件结构的外边界一般与飞机的理论外形相协调；其内部边界可能需与某个内部装载协调，也可能不需协调。第一章 绪 论233、结构的使用条件（1）环境条件：指气象条件或周围介质条件（温度、湿度、腐 蚀、有害介质等）。（2）起降场所条件：水、陆两栖；陆地：水泥、土跑道。（3）维

12、修条件：外场维修；场站或基地维修。第一章 绪 论244、生产条件（1）工艺条件（热加工、冷加工、少量或批量，加工 精度与性能的保障性）（2）加工能力（小量或大批量，加工精度与加工性能）（3）装配能力（装配精度、装配量大小）（4）生产能力（产量）（5）生产质量保障体系（技术与管理）第一章 绪 论25三、结构设计必须遵循的设计准则静强度设计准则刚度设计准则热强度设计准则疲劳、耐久性设计准则损伤容限设计准则气动弹性设计准则动强度设计准则第一章 绪 论26第一章 绪 论动载动载/刚度刚度-有气动弹性要求的地方，如：操纵面、翼尖有气动弹性要求的地方，如：操纵面、翼尖静载静载/强度强度-飞机中所有的元件，

13、如加强肋、接头等飞机中所有的元件，如加强肋、接头等静载静载/刚度刚度-有变形要求的地方，如：普通肋、机翼后缘、机械操纵系统有变形要求的地方，如：普通肋、机翼后缘、机械操纵系统第一章 绪 论1.3 飞机结构设计的基本要求一、基本要求 近代飞机结构追求的目标是：高结构效率（重量轻)、高可靠性、高寿命、高维修性和低寿命费用，以实现高的效费比。具体讲结构设计应贯彻下列要求：第一章 绪 论29强度、刚度要求疲劳、耐久性要求损伤容限要求维修性要求适航性要求合理选材工艺性要求低成本设计要求重量要求防雷击要求k抗腐蚀要求一、基本要求第一章 绪 论30二、基本要求概述（约束条件，边界条件）1、气动外形要求 在结

14、构设计中，与外边界相关的结构（框架结构与蒙皮）要保证理论气动外形的刚度（整体或局部的）以及光洁度（阻力及其他热效应），强度问题应当是首先保证的。第一章 绪 论31、重量要求 应当体会到重量设计是在满足各种结构性能指标的前提下，使重量最轻。从优化数学语言，在满足各种性能指标约束下，使重量目标函数最小。实际工程设计中，仅为满意解（总体设计分解到各结构上的重量指标）第一章 绪 论32第一章 绪 论、使用维修要求 结构与系统的安全可靠工作需要定期地检修维护来保障，良好的维修性、保障性是工程设计的主要因素。具体来说，合理地布置分离面及各种开口，结构内部安排必要的检查维修通道，增加结构的开敞性和可达性。、

15、工艺要求良好的工艺性设计是保证加工、装配合理精度及性能的前提。第一章 绪 论34、成本要求（经济性）飞机的主要成本：设计、研制、制造和运营。对军机而言，成本不应当是第一要求，重量与性能是第一位的。对民用客机，成本是第一要求。一般说，气动性能、使用要求是“前提性”要求，气动外形、结构与强、刚度设计技术是“前提”技术。技术要求与技术性能是互相联系、互相制约的，有的甚至是相互矛盾的，应当在一个好的设计素质基础上，把握主要矛盾，综合考虑，权衡处理。第一章 绪 论35三、飞机结构设计思想的演变发展四个阶段1、静强度设计阶段 静强度设计可追溯到18世纪伽利略时代，材料力学是伽利略时代破坏力学思维的延伸。上

16、个世纪2030年代，飞机业的发展形成了系统的设计原则。飞机结构设计的静强度设计准则是一种极限载荷（破坏载荷即极限承载能力）设计准则，即：第一章 绪 论36设计载荷为使用载荷乘以安全系数，破坏载荷应大于等于结构设计载荷：或 -设计载荷 -使用载荷 -极限载荷 -安全系数第一章 绪 论372、静、动强度设计阶段动强度设计问题是结构（特别是薄壁结构）受到冲击干扰后，激励振动导致的结构破坏问题（或称气动弹性问题），可导致翼面振动发散、操纵面反效等问题。设计准则可表现为：-最大飞行速度-设计速度-气动弹性临界速度-颤振速度、机翼发散速度与副翼失效速度第一章 绪 论颤振是飞机结构的自激振动，其能量来自飞行

17、时周围的空气。发散与颤振不同，它只与结构的挠性有关，而与结构的振动特性无关。当飞机达到某种速度时，飞机结构便不能再支持这种载荷，于是便出现结构发散变形，最后使结构破坏。第一章 绪 论抖振是一种由不稳定气流引起的结构动载荷。低速抖振发生在接近失速时的大迎角，此时局部气流与结构表面发生分离然后又附着，这会引起结构内的一些振动。高速抖振与大马赫数速度时产生的冲击波有关；此时局部气流在冲击波之后发生分离。在正常飞行中，不允许出现严重的抖振，以免干扰飞机的操纵，引起机组人员过度疲劳，或造成结构损坏。操纵面反向这是由于结构(如副翼与机翼组合部位)扭转时操纵面完全失去效能，并且可能得到反效果。第一章 绪 论

18、第一章 绪 论第一章 绪 论疲劳设汁一般有下述几种方法：(1)无限寿命设计它以无限长寿命作入疲劳设计判据，要求结构或构件的设计应力水平低于有关的疲劳极限应力。疲劳极限应力通常是由试验确定的。在应力寿命(S-N)曲线上，它一般是某规定的足够长的循环寿命(如10e7次)所对放的应力水平。对于需要经历这样长寿命循环的零构件，例如发动机气缸阀门弹簧，长期频繁运行的铁路车辆轮轴等，这种无限寿命设计仍然是一种简单而合理的方法。第一章 绪 论(2)安全寿命设计有许多构件在使用中只经受几万到几十万次载荷循环，或构件通常在低应力水平下工作，这样，再用无限寿命设汁(意味着设计应力低)就不合理了。按照有限寿命要求进

19、行的疲劳设计，工程中称为安全寿命设计，即所设计的构件具有足够安全的设计寿命。当然考虑到疲劳载荷的分散性及其它因素，安全寿命设计应当具有足够的安全储备。第一章 绪 论第一章 绪 论(3)破损安全设计破损安全设计是70年代初由英国空军发展起来的。破损安全设计法是允许有个别主要结构元件由于疲劳而破损，但不影响整个飞机结构安全的种设计方法。在这个元件破损之后，必须证实仍能承受某些规定的载荷，而不会产生灾难性破坏或者有害于飞机飞行性能的过渡结构变形。其设计要点是：有多余的载荷传递路线；发生局部开裂后结构仍有必要的剩余强度。这种设计常常采用多路传力系统或在结构中布置分段止裂件，以达到破损安全的目的。第一章

20、 绪 论(4)损伤容限设计这种方法是对破损安全设计的进一步改进。在损伤容限设计中，假定构件中存在着裂纹(由制造加工或疲劳形成)，但在周期性检查肯定能发现之前，这些裂纹是否会扩展到足以引起疲劳破坏的尺寸。为了保证所容许的裂纹在检查周期内不会扩展到引起结构破坏，构件往往要采用裂纹扩展缓慢且断裂韧性较高的材料制造。美国空军已经制定了损伤容限规范。我园航空工业部也于1985年出版了飞机结构损伤容限设计指南。第一章 绪 论(5)耐久性设计耐久性设计与损伤容限设计的差别在于：损伤容限设计注意的是保证飞机结构的安全性，着重分析那些情况最危险，尺寸相对较大的裂纹，防止它们在使用中扩展到其临界裂纹长度而引起破坏

21、；而耐久性设计注意的是保证结构的功能且具有足够的经济寿命，着重于用统计方法分析大量的、尺寸相对较小的初始裂纹，考查并控制这些裂纹在使用中可能会扩展到大于经济修理裂纹尺寸的百分率。结构使用到某一寿命时，发生了不能经济地修理的广布损伤，而不修理又可能引起结构的功能性问题，则这一寿命一般就定义为“经济寿命”。这种分析方法力图确定在不同使用时刻下结构中的裂纹尺寸分布。第一章 绪 论3、静、动强度，疲劳安全寿命设计阶段 50年代，飞机业受二战的刺激，得到了迅速发展，但发生了始料未及的破坏现象，疲劳破坏。现代也发现噪音等环境也能引起疲劳破坏，当时飞机发展的几点特征：飞机的使用寿命延长了；飞机的技、战术性能

22、提高了；高强度材料的采用；飞机结构强度储备下降；工业技术提高了生产率。第一章 绪 论49经历挫折与失败后，设计师们发现需提出安全寿命要求 -使用寿命 -安全寿命 -试验寿命 -分散系数（一般取4）上述设计准则主要依靠试验来保证，我国当前的一些飞机关键结构件仍依此设计。现代军机的使用寿命要求60008000飞行小时，民机3000060000飞行小时。第一章 绪 论504、静、动强度，使用寿命，损伤容限和耐久性（包括 经济寿命）设计阶段 安全使用寿命设计并不能绝对保证安全。发现 破坏后的断口，疲劳裂纹已经很长了，于是提出破 损安全与损伤容限设计，科学地预测裂纹允许长度以 及结构破损后的安全特性，而

23、且增加了检修性设计。损伤容限设计概念要求损伤在规定的未修使用期内的增长控制在一定范围内，受损结构满足规定的剩余强度要求。第一章 绪 论51 设计准则分别为：（1）破损安全结构（某个元件破损后，残余结构仍 能受载，即元件破损，结构安全）-破损安全剩余强度系数 H-检查间隔期限 (2)缓慢裂纹扩展结构（适用于不可检测处结构，要求在整个使用寿命期内，裂纹不会达到临界 裂纹长度 52 耐久性设计准则：-经济寿命 -耐久性试验寿命 -分散系数（一般取2）经济寿命：出现某种损伤使进行修复反而是不经济的时限。第一章 绪 论53 5、结构可靠性设计阶段 -结构体系可靠度 i-分别对应于静强度、动强度、损伤容限

24、、寿命等情况。目前一般按静强度、动强度、损伤容限/耐久性（或疲劳/损伤容限设计）准则设计后，进行可靠性分析评估。第一章 绪 论54第一章 绪 论1.4飞机结构设计的现代理论与先进技术现代设计理论包括结构优化设计、结构抗疲劳设计、结构防断裂设计和结构可靠性设计先进设计技术主要包括计算机结构辅助分析（CAE）和计算机辅助设计（CAD）55第一章 绪 论结构有限元分析以及在飞机结构设计中的应用结构设计中应力和变形分析十分重要它是分析和评估结构承载能力、使用寿命、可靠性和进行优化设计的基础又是修改设计和制定试验方案的依据特别对按疲劳、损伤容限设计的关键件，其应力和变形的分析精度要求更高，需要有合适的模

25、型和计算方法才能满足要求。56第一章 绪 论57第一章 绪 论58第一章 绪 论59第一章 绪 论60第一章 绪 论61第一章 绪 论1.5飞机结构设计的内容与方法结构指受力结构。由几个或几千个零件结合在一起所构成，能承受规定的载荷，满足规定的强度、刚度、寿命、可靠性要求。飞机结构设计主要指机体结构设计。机体结构包含机翼结构、尾翼结构、机身结构、发动机舱结构、起落架结构等。62第一章 绪 论63第一章 绪 论64第一章 绪 论3飞机结构设计的方法定性设计定性设计粗略估算强度校核定量设计定性选取结构方案，精确计算元件尺寸智能设计采用CAD和CAE技术进行结构设计65第一章 绪 论66第一章 绪

26、论定量设计工程梁理论:在飞机结构中，常遇到细长的梁式薄壁结构，如长直机翼、后掠机翼的中外翼等。这类结构在几何尺寸方面其长度远大于横剖面尺寸。它的受力和变形与材料力学中的细长梁类似。不能应用于三角机翼、小展弦的结构结构有限元素法:适合任何复杂的结构分析及大型结构系统分析及任意边界条件及载荷分布。67 第一章 绪 论以悬臂大展弦比平直机翼为例，机翼上承担着分布的气动载荷及机翼的质量载荷，还有发动机等部件的集中载荷。机翼在这些载荷作用下发生弯曲和扭转，横剖面上的内力有弯矩、剪力、扭矩和轴力。这些内力可以采用静力平衡方程确定。如果要进一步确定横剖面上各元件(桁条、蒙皮等)的应力，则是一个十分复杂的问题

27、。68 第一章 绪 论如果采用适当的工程假设，则可以使复杂的问题得以简化。这就是所谓的工程梁薄壁结构模型。为建立薄壁工程梁计算模型，除要求结构满足小变形和线弹性这两个基本假设和薄壁结构受剪板的假设之外，还要根据其受力和变形的特点，做出如下假设：69 第一章 绪 论 工程梁理论基本假设1所讨论的对象为细长薄壁梁式结构。在计算其远离固定端处的应力分布时，可以忽略固定端对纵向变形的约束以及由此产生的次应力，认为计算剖面处的纵向变形是自由的，这种受力状态称为自由弯曲或自由扭转。2剖面形状没有畸变。结构在发生变形时，横剖面在自身平面上的投影保持不变。由于结构中有较多的横向加强元件(翼肋和隔框)，能够保持

28、横剖面的形状，该假设在小变形情况下是符合实际的。3横剖面上的线应变符合平面假设。70 第一章 绪 论基本概念补充71 第一章 绪 论72 第一章 绪 论73 第一章 绪 论74 第一章 绪 论75 第一章 绪 论76 第一章 绪 论77 第一章 绪 论78 第一章 绪 论79 第一章 绪 论8081第二章、飞机结构的外载和设计规范第二章、飞机结构的外载和设计规范本章内容本章内容2.1 2.1 飞机结构的主要载荷飞机结构的主要载荷2.2 2.2 典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数2.3 2.3 复杂载荷情况复杂载荷情况2.4 2.4 飞机的设计规范飞机的设计规范2.5 2.5 民用飞机

29、适航性民用飞机适航性82第二章、飞机结构的外载和设计规范第二章、飞机结构的外载和设计规范2.1 2.1 飞机结构的主要载荷飞机结构的主要载荷 飞机作为运载工具要求反复使用，可能经历各样的复杂载荷历程。飞机作为运载工具要求反复使用，可能经历各样的复杂载荷历程。最主要、最基本的有哪些？最主要、最基本的有哪些？对结构的影响作用是什么？这是设计师们对结构的影响作用是什么？这是设计师们 关心的基本问题；其次是不同载荷形态与主要载荷的差异以及这些载荷关心的基本问题；其次是不同载荷形态与主要载荷的差异以及这些载荷 的变化规律（包括大气气象规律的统计）。的变化规律（包括大气气象规律的统计）。1.1.思维要点：

30、思维要点：主要载荷形式；主要载荷形式；主要载荷分类；主要载荷分类；作用于结构如何分析。作用于结构如何分析。83 2.1 2.1 飞机的外载荷飞机的外载荷2.2.载荷的参照坐标系：载荷的参照坐标系：机体坐标系机体坐标系84 2.1 2.1 飞机的外载荷飞机的外载荷2.2.载荷的参照坐标系：载荷的参照坐标系：机体坐标系机体坐标系85 2.1 2.1 飞机的外载荷飞机的外载荷3.3.基本载荷形态及分析基本载荷形态及分析 从飞行原理上可以知道：从飞行原理上可以知道：加力飞行；加力飞行；匀速平直飞行；匀速平直飞行；停机、滑跑状态。停机、滑跑状态。86 2.1 2.1 飞机的外载荷飞机的外载荷 87 2.

31、1 2.1 飞机的外载荷飞机的外载荷88 2.1 2.1 飞机的外载荷飞机的外载荷 飞机的外载：飞机的外载：重力重力（G)、升力升力（Y)、阻力阻力（X）、推力推力（P）、起落架载荷。起落架载荷。惯性力惯性力：质量乘以加速度的负值：质量乘以加速度的负值 质量力质量力：飞机重力：飞机重力G G（mgmg）和惯性力）和惯性力N(-ma)N(-ma)均与飞机质量均与飞机质量m m有关，故统称为有关，故统称为 质量力。质量力。89 2.1 2.1 飞机的外载荷飞机的外载荷达朗倍尔动静分析（刚体动平衡）达朗倍尔动静分析（刚体动平衡）90 2.2 2.2 典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数一、典

32、型飞行姿态一、典型飞行姿态1.1.俯冲拉起俯冲拉起:对称面内作曲线机动飞行情况（纵向飞行）对称面内作曲线机动飞行情况（纵向飞行）飞机的升力使飞机保持向心曲线运动。飞机的升力使飞机保持向心曲线运动。912.22.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数动平衡关系：（机体坐标系动平衡关系：（机体坐标系y y向）向）,表现了运动的变速特征（曲线运动）表现了运动的变速特征（曲线运动）即：即：升力等于升力等于G G乘上一个系数，该系数称为载荷系数。乘上一个系数，该系数称为载荷系数。922.22.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数分析该曲线运动中，分析该曲线运动中，的特性：的特性：与曲线

33、航迹半径成反比，与切线运动速度与曲线航迹半径成反比，与切线运动速度 的平方成正比，这表明：的平方成正比，这表明：若若 一定，一定，v v 一定，则运动半径就规定了；太一定，则运动半径就规定了；太 小，则结构承载发生问题；小，则结构承载发生问题；若若 一定，一定，v v 一定，则速度就要限制。一定，则速度就要限制。由此看来，对结构设计是一个重要的无量纲载荷由此看来，对结构设计是一个重要的无量纲载荷系数。系数。93 2.22.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数二二.载荷系数的概念载荷系数的概念1.1.载荷系数定义载荷系数定义：除重力外，作用在飞机某方向上的所有外：除重力外，作用在飞机某

34、方向上的所有外力的合力与当时飞机重量的比值，称为该方向上的载荷系力的合力与当时飞机重量的比值，称为该方向上的载荷系数。数。Note Note：对重力视可不见；对重力视可不见；千万不能计及惯性力；千万不能计及惯性力；机体坐标系为正向；机体坐标系为正向；载荷系数是一矢量，分量用载荷系数是一矢量，分量用nxnx、nyny、nznz表示。表示。e.g.e.g.平直匀速飞行：平直匀速飞行：nyny=1=1 平直匀速倒飞：平直匀速倒飞：nyny=-1=-1（-Y/GY/G Y Y与机体坐标系相反）与机体坐标系相反）94 2.22.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数2 2 2 2 物理意义：物理

35、意义：物理意义：物理意义：表示了作用于飞机重心处的外力与飞机重力表示了作用于飞机重心处的外力与飞机重力 的比值关系；的比值关系；表示了飞机质量力（重力与惯性力均与质量有关，表示了飞机质量力（重力与惯性力均与质量有关，故统称为质量力）与重力的比率。故统称为质量力）与重力的比率。（应注意质量力与外力方向相反）（应注意质量力与外力方向相反）飞机的质量力应当是飞机的各部分质量力之和：飞机的质量力应当是飞机的各部分质量力之和：952.22.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数飞飞机机中中的的某某集集中中质质量量G GI I=m mi ig g，作作用用在在结结构构上上的的质质量量力力为为：当飞

36、机沿当飞机沿x x方向有变速运动时，方向有变速运动时，x x向惯性力：向惯性力：若俯冲拉起中的曲线运动中，切向是加速运动，则：若俯冲拉起中的曲线运动中，切向是加速运动，则：n nz z=0=0（飞机展向变速平移难）；（飞机展向变速平移难）；a az z一般较小，在大机动飞一般较小，在大机动飞行中可能出现。行中可能出现。962.22.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数3 3 3 3、实用意义、实用意义、实用意义、实用意义 作为飞机结构设计时重要原始载荷系数；作为飞机结构设计时重要原始载荷系数；n n 的大小实际反映了飞机的机动性能；的大小实际反映了飞机的机动性能；结合结合n n 和已

37、知的气动力分布，可获得实际作和已知的气动力分布，可获得实际作 用于结构上载荷的大小，从而进行设计与校验。用于结构上载荷的大小，从而进行设计与校验。可通过在飞机重心处安装加速度计来获取。可通过在飞机重心处安装加速度计来获取。97 2.22.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数三、其他飞行姿态的过载三、其他飞行姿态的过载三、其他飞行姿态的过载三、其他飞行姿态的过载 1 1 1 1、进入俯冲状态：、进入俯冲状态：、进入俯冲状态：、进入俯冲状态：（可能为负，说明升力不总是正的）（可能为负，说明升力不总是正的）98 2.22.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数2 2 2 2、垂直俯

38、冲状态：、垂直俯冲状态：、垂直俯冲状态：、垂直俯冲状态：(外作用合力等于惯性力合力的负值外作用合力等于惯性力合力的负值)99 2.2 2.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数3 3 3 3、等速水平盘旋：（非对称机动飞行）、等速水平盘旋：（非对称机动飞行）、等速水平盘旋：（非对称机动飞行）、等速水平盘旋：（非对称机动飞行）1002.22.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数101 2.2 2.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数4 4、垂直突风、垂直突风 (在航迹运动坐标系中分析在航迹运动坐标系中分析)1022.22.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数

39、（1）计算突风引起的升力变化:（2）计算载荷系数 NoteNote:若突风不垂直飞机时若突风不垂直飞机时,应怎样处理应怎样处理?103 2.2 2.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数 5 5、飞机转动、飞机转动(升降升降)时的过载时的过载(刚体运动分析刚体运动分析)1042.22.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数 运动分析运动分析:旋转+平移 载荷分析载荷分析:当平尾产生机动载荷时,飞机产生平移与旋转；该载荷克服了飞机原有的平飞状态,使飞机在上述两个运动中产生加速度。从动平衡角度,平尾机动载荷与它克服的惯性力及力矩相平衡。105 2.2 2.2典型飞行姿态和载荷系数典

40、型飞行姿态和载荷系数.平移速度载荷系数(质点)(外载分析法).绕中心转动的载荷系数(质量力分析法)NoteNoteNoteNote:表示单位长度上的重力 集中装载物(发动机,机载设备)要注意装载物较长的情况,当作集中点误差太大,则应 (绕自身重心轴的质量惯性矩)i 表示转动轴线上的任意位置106 2.2 2.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数 6 6、着陆时的过载、着陆时的过载 107 2.22.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数 这里的过载定义与空中飞行情况不同。这里的过载定义与空中飞行情况不同。当空中匀速飞行时当空中匀速飞行时,n ny y=1=1 表示表示 Y/G

41、Y/G=1=1 地面滑行或停止态时地面滑行或停止态时,再以升力来定义已毫无意义再以升力来定义已毫无意义,应以用地面的支撑载荷与重量之比来定义应以用地面的支撑载荷与重量之比来定义,即即 n ny y=1 1=P Plglg/G/GNote:iNote:i.这两种情况下的这两种情况下的n ny y=1,=1,但飞机结构的承载方式却完全不同但飞机结构的承载方式却完全不同,匀速平飞是一种分布载荷作用匀速平飞是一种分布载荷作用,而着陆主要是以集中力形而着陆主要是以集中力形 式作用于起落架上式作用于起落架上,通过起落架作用于机身。通过起落架作用于机身。ii.ii.工程上工程上,常称平飞时常称平飞时 n n

42、y y=1=1 为平飞为平飞1 1g g(g g以重力为单位以重力为单位)；停机时停机时 n ny y=1=1 为停机的为停机的1 1g g108 2.2 2.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数着陆时载荷分析着陆时载荷分析:从着陆前到完全着陆瞬间从着陆前到完全着陆瞬间,飞机飞机y y向速度从向速度从-V Vy y减至零减至零,故此时的减速度为故此时的减速度为:所以，减速度所以，减速度a a指向机体坐标系指向机体坐标系y y的正向，故此时的惯性力的正向，故此时的惯性力(作用于地面作用于地面)的方向是向下的。的方向是向下的。由动平衡分析由动平衡分析:109 2.2 2.2典型飞行姿态和

43、载荷系数典型飞行姿态和载荷系数 由着陆时的载荷由着陆时的载荷(地面给予的外载荷地面给予的外载荷)与重量之比与重量之比 的过载定义的过载定义,即设即设:这个过载不允许过大这个过载不允许过大,一般一般n ny y=3-4(=3-4(因为与飞行时对结构因为与飞行时对结构与人的作用不同与人的作用不同)着陆或滑时的情况多样着陆或滑时的情况多样,还可能发生还可能发生n nx x,或或n nz z.110 2.2 2.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数7 7 7 7、飞机设计时最大载荷系数的选取、飞机设计时最大载荷系数的选取、飞机设计时最大载荷系数的选取、飞机设计时最大载荷系数的选取 影响选择最

44、大载荷系数的因素:i.载荷系数实际反映了飞机的机动性能,因此越大越好,但对运输机或客机则没有太大必要。.载荷系数又反映了对结构的载荷作用,载荷系数越大,表明飞机结构的承载越大,要有足够的刚、强度，则结构重量大。111 2.2 2.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数.载载荷荷系系数数的的载载荷荷作作用用，不不仅仅对对结结构构有有作作用用，而而且且对对机机载载设设备备及及乘乘员员有有载载荷荷作作用用。载载荷荷系系数数越越大大，对对他他们的作用越强，要视他们的承受能力而定。们的作用越强，要视他们的承受能力而定。.飞飞行行时时的的载载荷荷系系数数（除除突突风风干干扰扰外外），一一般般来来自

45、自于于发发动动机机的的推推力力，载载荷荷系系数数大大，结结构构要要重重，发发动动机机的的加力性能要好，即剩余推力要大。加力性能要好，即剩余推力要大。.载荷系数的选择影响因素众多，要依据技术性能载荷系数的选择影响因素众多，要依据技术性能要求综合确定要求综合确定,并不是越大越好。并不是越大越好。112 2.2 2.2典型飞行姿态和载荷系数典型飞行姿态和载荷系数 人对过载的反映：人对过载的反映：说说明明人人在在短短时时间间承承受受较较大大过过载载尚尚可可，特特别别是是正正过过载载。较较长长时时间间承承受受过过载载能能力力很很差，特别是负过载。差，特别是负过载。战斗机的过载一般为战斗机的过载一般为-3

46、-8-3-8民机则无必要。民机则无必要。提高人抗过载的能力：提高人抗过载的能力：抗过载服。抗过载服。规范中的过载系数可供选择规范中的过载系数可供选择(飞行包线上飞行包线上给定）给定）。113 2.3 2.3 复杂载荷情况复杂载荷情况 飞机是一种反复使用的运载工具或作战武器。飞机是一种反复使用的运载工具或作战武器。服役期内会遇到各种载荷。服役期内会遇到各种载荷。设计中，不仅应掌握典型设计状态中的极限载设计中，不仅应掌握典型设计状态中的极限载荷及其对结构作用的分析方法，（以作为飞机结构荷及其对结构作用的分析方法，（以作为飞机结构极限能力的设计依据）；还应把握这些载荷的变化极限能力的设计依据）；还应

47、把握这些载荷的变化规律，作用次数等统计规律，因为这些虽未达到极规律，作用次数等统计规律，因为这些虽未达到极限状态，但长期作用仍对结构有破坏作用，这就是限状态，但长期作用仍对结构有破坏作用，这就是通常所说的疲劳载荷。通常所说的疲劳载荷。114 2.3 2.3 复杂载荷情况复杂载荷情况 一、疲劳载荷一、疲劳载荷 飞机遇到载荷长期反复变化地作用，这种作用会导致结构飞机遇到载荷长期反复变化地作用，这种作用会导致结构的的“疲疲劳劳”破破坏坏，因因此此这这种种载载荷荷历历程程一一般般称称为为“疲疲劳劳”载载荷荷。类类类类 型：型：型：型：1.1.1.1.突风载荷：突风载荷：突风载荷：突风载荷：大气紊流的作

48、用，是民机、运输机的重要疲劳大气紊流的作用，是民机、运输机的重要疲劳 载荷，大气紊流的强度以及作用的次数统计；载荷，大气紊流的强度以及作用的次数统计；2.2.2.2.机动载荷：机动载荷：机动载荷：机动载荷：飞机机动（变速）飞行中升力变化载荷，是军机的飞机机动（变速）飞行中升力变化载荷，是军机的 主要疲劳载荷，机动飞行的种类主要疲劳载荷，机动飞行的种类,飞行次数等；飞行次数等；3.3.3.3.增压载荷：增压载荷：增压载荷：增压载荷：气密压舱一个飞行起落中，压力的变化，增压载气密压舱一个飞行起落中，压力的变化，增压载 荷的变化规律，作用次数等统计；荷的变化规律，作用次数等统计；4.4.着陆撞击载荷

49、：着陆撞击载荷：着陆撞击载荷：着陆撞击载荷：一个起落一次撞击，撞击载荷的强度；一个起落一次撞击，撞击载荷的强度；115 2.3 2.3 复杂载荷情况复杂载荷情况 5.5.地面滑行载荷：地面滑行载荷：指地面滑行飞机颠簸所受到的载荷，与飞 机跑道的质量、飞机的重量等有关；6.6.发动机动力装置的热反复载荷；发动机动力装置的热反复载荷；7.7.地地-空空-地循环载荷：地循环载荷：飞行地面滑行时的1g载荷变化到空中飞行的1g载荷，这种均值载荷的变化也是疲劳载荷；8.8.8.8.其他其他其他其他：机翼尾流对尾翼的周期性作用 tp116 2.3 2.3 复杂载荷情况复杂载荷情况 作作作作 用：用：用：用：

50、设备工作的影响；设备工作的影响；人员的不适；人员的不适；结构疲劳导致缺陷生长成裂纹并不断发展，结构疲劳导致缺陷生长成裂纹并不断发展，最终导致断裂最终导致断裂 疲劳载荷是飞机设计中最重要的考虑因素，疲劳载荷是飞机设计中最重要的考虑因素，是定寿的基本依据。是定寿的基本依据。117 2.3 2.3 复杂载荷情况复杂载荷情况 二、其他特殊情况载荷二、其他特殊情况载荷二、其他特殊情况载荷二、其他特殊情况载荷1 1、非正常状态载荷、非正常状态载荷:单发停车、单发停车、尾旋、尾旋、单轮着地、单轮着地、打地转、打地转、机头碰地、机头碰地、飞机翻倒、飞机翻倒、强迫着陆等情况。强迫着陆等情况。118 2.3 2.