飞机结构设计翼面结构学习教案.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,#,单击此处编辑母版标题样式,会计学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,会计学,1,飞机(fij)结构设计 翼面结构,第一页，共48页。,2025/1/27 周一,2,机翼结构设计的原始(yunsh)依据,接上页,机翼(j y)的外挂,不同外挂的组合(zh)要求、外挂的惯性数据等。,强度刚度设计参数,各种情况下的质量数据，如：起飞着陆质量、基本强度计算质量等。,各种机动飞行包线,安全系数,机翼使用维护要求,可选的结构材料及材料性能数据,第2页/共47页,第二页，共48页。,2025/1/27 周一,3,三、机翼(j y)结构设计的步骤,机翼(j y)结构设计,打样设计,详细设计,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、绘制机翼理论图及打样图。,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纸，并完成机翼强度、刚度、寿命的全部计算。,机翼(j y)结构设计的具体步骤：,外载和内力计算,内部安排，确定结构型式、设计分离面、对接方式，布置主要受力构件，绘制打样图,设计计算，对各元件的强度进行设计,绘制机翼理论图,打样设计阶段,Today the design mission relies on CAD system,and then the drawing is not so important.,第3页/共47页,第三页，共48页。,2025/1/27 周一,4,机翼结构元件设计,结构强度、刚度校核计算,绘制生产图纸,给出疲劳寿命和检查周期,工作(gngzu)设计阶段,四、机翼结构(jigu)型式的确定(属打样设计阶段),现代飞机设计中，机翼(j y)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确定，在结构设计中不允许随意修改。,1、各种受力结构型式的特点,梁式,主要结构特点是,:,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。,优 点,:,结构简单，蒙皮上打开口方便，开口对结构承弯能力影响很小；连接简单，对接点少。,机翼结构形式的确定,第4页/共47页,第四页，共48页。,2025/1/27 周一,5,缺 点: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(dozh)早期疲劳损坏；生存性低。,单块式,主要结构特点是：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翼梁。,优 点：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(nqun)可靠性好。,缺 点：结构复杂，对开口敏感。与中翼或机身接合点多，连接复杂。,单块式机翼的结构(jigu)特点,第5页/共47页,第五页，共48页。,2025/1/27 周一,6,多腹板式,主要结构(jigu)特点是：这类机翼布置了较多的纵墙，蒙皮较厚。厚蒙皮单独承受全部弯矩。,优 点：抗弯材料分散在剖面上下缘，结构(jigu)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。,缺 点：不宜大开口；与机身连接点多。,多腹板式机翼(j y)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(zhyo)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。,第6页/共47页,第六页，共48页。,2025/1/27 周一,7,（1）机翼的相对载荷,M/HB,B,受力翼盒的弦长（近似取为60%的弦长）,H,翼盒的平均高度（近似取为80%翼型最大高度,H,）,相对载荷的意义：,单位(dnwi)宽度壁板上所受的轴向力,2、相对载荷、有效高度比与结构(jigu)受力型式选择之间的关系,第7页/共47页,第七页，共48页。,2025/1/27 周一,8,假设略去(l q)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(l q)机身段的影响，后掠、平直机翼相对载荷估算公式为（主要从受压区的情况进行分析）,相对(xingdu)载荷为,可见,G/S,、,、,l,、,n,等参数愈大，,C,愈小，则相对载荷愈大。,利用翼载和过载系数估算机翼(j y)对称面上的最大弯矩,第8页/共47页,第八页，共48页。,2025/1/27 周一,9,Heff 有效高度(god)，上、下缘条的形心间距,（2）有效(yuxio)高度比,讨 论,当相对载荷很小时,对于分散受力型式，根据b决定(judng)的蒙皮厚度与桁条截面积可能很小，失稳临界应力cr 就可能大大低于b。如果按cr确定构件尺寸，从b角度衡量，材料利用不充分。,H,H,eff,H,B,第9页/共47页,第九页，共48页。,2025/1/27 周一,10,讨 论,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表面的距离较大而使,H,eff,有所降低，但总的说来可能还是有利的。特别地，当,C,较大时，,H,eff,不会显著降低。,当相对载荷较大时,对于分散受力型式(xn sh)，长桁、蒙皮在各切面处的面积不致太小，不易失稳，也即cr 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。,第10页/共47页,第十页，共48页。,2025/1/27 周一,11,多腹板式相对于单块式结构，因材料(cilio)的分散度更大，有效高度比更大，因而更有利。,总结(zngji),结 论,仅就,相对载荷,和,有效高度比,这两个参数而言,对于梯形比在1-4之间的平直机翼和后掠机翼，一般地,M/HB,较大,:,相对厚度,C,较小时，宜采用多腹板式结构；,相对厚度,C,较大时，宜采用单块式结构；,当,M/HB,较小,相对厚度,C,较大时，宜采用梁式结构。,第11页/共47页,第十一页，共48页。,2025/1/27 周一,12,（3）三角(snjio)机翼的受力型式,三角(snjio)机翼(根部)的弯矩计算公式,Bf 机身(j shn)宽度,通常三角机翼的弯矩较小，根部剖面的绝对高度较大，因而其相对载荷较小。,三角机翼的相对厚度一般较小，但翼剖面的绝对高度较大，梁的结构效率(xio l)仍比较高，故大多采用梁式结构。,翼尖部分弦长下降快，一般采用单块式或整体结构。,（3）三角机翼的受力型式,第12页/共47页,第十二页，共48页。,2025/1/27 周一,13,机 种,F-86D,米格-15,F-104,波音-707,L-29,幻影-,平面形状,后掠,后掠,平直,后掠,平直,三角形,相对厚度,11.5%,10.4%,3.36%,12%,17%,4%,相对载荷(,10,5,),4.70,3.62,5.85,19.3,2.12,0.82,有效高度比(%),91,90.5,结构型式,单块式,单块式,多腹板式,单块式,单梁式,多梁式,（3）三角机翼(j y)的受力型式,实 例,第13页/共47页,第十三页，共48页。,2025/1/27 周一,14,3、选择(xunz)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中多种因素的影响，需要综合衡量。,（1）机翼内部布置，如收放起落架，布置大开口等。,（2）机翼、机身(j shn)的相对位置，以及机身(j shn)内部的布置，影响机翼-机身(j shn)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，如后掠翼、三角翼等。,第14页/共47页,第十四页，共48页。,2025/1/27 周一,15,五、机翼(j y)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(shling)和位置。,主要受力构件有：梁、墙、加强肋、普通肋、桁条等。,1、主要受力构件布置(bzh)的原则,确保气动载荷引起的弯、剪、扭能顺利可靠地传向机身。,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。,第15页/共47页,第十五页，共48页。,2025/1/27 周一,16,1、主要受力构件(gujin)布置的原则,一般地，传力越直接越好，结构(jigu)重量越轻。,布置加强构件应尽量做到综合利用，以减轻重量。,受力构件连接处应尽量避免或减少偏心。,2、主要受力构件(gujin)的布置,梁与墙的布置,数量：,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,位置与布置方式：,一般,前梁,位于能与机翼前缘缝翼、前缘襟翼（如有的话）相连的位置,(,一般地，约,12-17%b),；,后梁,在能与操纵面相连的位置,(,一般地，约,55-60%b),。,第16页/共47页,第十六页，共48页。,2025/1/27 周一,17,从受力合理看：,(1)梁最好能纵贯全翼展，且轴线尽量不折转(sh zhun),(2)尽可能布置在结构高度较大的部位,(3)沿展向最好按弦长等百分比线布置,翼肋的布置(bzh),翼肋的布置,数量：翼肋的间距可按蒙皮(mn p)格子的临界应力的大小确定，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。,位置与布局方式：,普通翼肋 顺流布置,翼肋 翼肋的布置,加强翼肋 正交布置,第17页/共47页,第十七页，共48页。,2025/1/27 周一,18,顺流(shn li)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。,翼肋的布置(bzh),顺流布置的缺点翼肋长度增加(zngji)；缘条扭曲；蒙皮受压稳定性差等等。,顺流布置的应用一般用于机翼蒙皮较厚，翼肋对蒙皮支持作用较小，或机翼局部区域。,第18页/共47页,第十八页，共48页。,2025/1/27 周一,19,正交布置的优点、缺点与顺流肋恰好相反。,在现代(xindi)后掠机翼上，正交布置采用得较多。,桁条的布置(bzh),第19页/共47页,第十九页，共48页。,2025/1/27 周一,20,桁条的布置,数量(shling)：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,第二十页，共48页。,2025/1/27 周一,21,位置与布局方式：,按百分比线布置(聚交式),长桁布置,平行于前梁或后梁,按百分比线布置的特点桁条无扭曲，桁条截面面积变,桁条的布置(bzh),化或截断(ji dun)等。,平行布置的特点扭曲，逐渐切断等。,第21页/共47页,第二十一页，共48页。,2025/1/27 周一,22,4.9 机翼结构元件(yunjin)设计,一、翼梁设计(shj),梁的构造(guzo)形式,构 架 式,腹 板 式,1、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，用来承受一对轴力。,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,组 合 式,整体锻造式,第22页/共47页,第二十二页，共48页。,2025/1/27 周一,23,2、缘条设计,初步设计时，缘条的拉压轴力N为,N=M/H,H上、下缘条剖面形心间距(jin j),承拉缘条的剖面面积为,Fl=N/b,承压缘条的剖面面积为,Fl=N/cr,cr缘条的局部失稳临界应力,缘条与腹板的设计(shj),梁的截面(jimin)形状,第23页/共47页,第二十三页，共48页。,2025/1/27 周一,24,3、腹板设计(shj),腹板可简化成四边受剪的平板。,缘条与腹板的设计(shj),（1）抗剪型腹板设计(shj),此类腹板的二种破坏形式：剪切破坏和剪切失稳,由剪切破坏确定的腹板厚度,1 Q/hb,由剪切失稳确定的腹板厚度,抗剪型,不允许剪切失稳,腹板,张力场型,腹板可以失稳,第24页/共47页,第二十四页，共48页。,2025/1/27 周一,25,二、桁条设计(shj),其中(qzhng)K 根据支持情况和板的短边与长边之比，查设计手册可得；q 为剪流；b腹板短边长度。,一般说来crb，故 21，因此取2为设计值。,（2）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(zlio)，按其原理进行设计。,二、桁条设计,1、截面确定的原则,截面积,A,应保证在受拉区满足,静强度,，在受压区,不失稳,（总体失稳与局部失稳）。,第25页/共47页,第二十五页，共48页。,2025/1/27 周一,26,2、长桁剖面(pumin)的形状,三、翼肋设计(shj),四、蒙皮(mn p)与加筋板设计,第26页/共47页,第二十六页，共48页。,2025/1/27 周一,27,四、蒙皮(mn p)与加筋板设计,蒙皮与加筋板，以及它们(t men)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(hngji)式，不用张力场形式。,B787和A380前缘肋采用桁架(hngji)式，由拓扑优化而来。,第27页/共47页,第二十七页，共48页。,2025/1/27 周一,28,五、对接(du ji)接头设计,机翼接头是飞机结构最关键区域(qy)之一，尤其涉及到疲劳问题时。,接头形式包括(boku)：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,第28页/共47页,第二十八页，共48页。,2025/1/27 周一,29,耳片接头的几种(j zhn)形式,第29页/共47页,第二十九页，共48页。,2025/1/27 周一,30,梁式机翼固定接头-垂直(chuzh)耳片连接,第30页/共47页,第三十页，共48页。,2025/1/27 周一,31,机翼固定接头(ji tu)-水平耳片连接,第31页/共47页,第三十一页，共48页。,2025/1/27 周一,32,拼接(pn ji)接头实例,第32页/共47页,第三十二页，共48页。,2025/1/27 周一,33,受拉螺栓连接(linji)实例,第33页/共47页,第三十三页，共48页。,2025/1/27 周一,34,拼接与受拉螺栓(lushun)组合连接,第34页/共47页,第三十四页，共48页。,2025/1/27 周一,35,过上反角和后掠中断(zhngdun)处的翼梁缘条拼接,第35页/共47页,第三十五页，共48页。,2025/1/27 周一,36,后掠翼战斗机典型(dinxng)耳片连接,第36页/共47页,第三十六页，共48页。,2025/1/27 周一,37,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(linji)的特点,第37页/共47页,第三十七页，共48页。,2025/1/27 周一,38,总 结,机翼结构设计的原始依据,机翼结构设计的步骤,机翼结构型式的确定,机翼主要受力构件(gujin)的布置原则、数量和布置方式,机翼结构元件设计的原则,第38页/共47页,第三十八页，共48页。,2025/1/27 周一,39,第十讲结束(jish),第39页/共47页,第三十九页，共48页。,2025/1/27 周一,40,练习题,习题1：机翼结构受力型式的确定(qudng)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,第四十页，共48页。,2025/1/27 周一,41,翼梁截面图,用于腹板止裂，,fail-safe design,第41页/共47页,第四十一页，共48页。,2025/1/27 周一,42,翼梁的构造(guzo)形式图,腹板(组合(zh)式,构架(u ji)式翼梁,整体锻造式,第42页/共47页,第四十二页，共48页。,2025/1/27 周一,43,整体壁板标准截面、带结合(jih)型面的整体壁板、复合材料壁板图,第43页/共47页,第四十三页，共48页。,2025/1/27 周一,44,夹层(jicng)蒙皮及其连接图,第44页/共47页,第四十四页，共48页。,2025/1/27 周一,45,典型(dinxng)战斗机和运输机翼盒材料、数据,第45页/共47页,第四十五页，共48页。,2025/1/27 周一,46,典型(dinxng)战斗机和运输机翼盒材料、数据,第46页/共47页,第四十六页，共48页。,2025/1/27 周一,47,感谢您的观看(gunkn)！,第47页/共47页,第四十七页，共48页。,内容(nirng)总结,会计学。各种情况下的质量数据，如：起飞着陆(zhu l)质量、基本强度计算质量等。可选的结构材料及材料性能数据。第2页/共47页。局部刚度及总体刚度大。顺流布置的优点维持机翼剖面形状较好。顺流布置的缺点翼肋长度增加。按百分比线布置的特点桁条无扭曲，桁条截面面积变。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。此类腹板的二种破坏形式：剪切破坏和剪切失稳。第46页/共47页。感谢您的观看。第47页/共47页,第四十八页，共48页。,