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飞机结构设计第一章第一章 绪绪 论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 飞机的外飞机的外载荷与设计规范载荷与设计规范7 71 1第三章第三章 翼面结构翼面结构和机身结构分析和机身结构分析16162 2第四章第四章 飞机结构飞机结构设计基础设计基础6 6第五章第五章 机翼、尾机翼、尾翼设计翼设计1010第六章第六章 机身及开机身及开口区结构设计口区结构设计8 8第七章第七章 飞机复合飞机复合材料结构设计材料结构设计2 2总结总结2 2合计合计5656第一章第一章 绪绪 论论一、本课程的特点一、本课程的特点n 注重基础理论概念的实用化、感性化以及工程化注重基础理论概念的实用化、感性化以及工程化n 注重综合运用知识概念权衡复杂问题分析注重综合运用知识概念权衡复杂问题分析,抓住主抓住主要矛盾寻找解决问题途径的基本设计理念要矛盾寻找解决问题途径的基本设计理念n 大量工程结构实例的剖析大量工程结构实例的剖析n 注重培养自行分析、动手设计的主观能力以及工注重培养自行分析、动手设计的主观能力以及工程实用化的实践能力程实用化的实践能力第一章第一章 绪绪 论论具体要求：具体要求：n 注意定性分析注意定性分析,要求概念清楚；要求概念清楚；n 实践性强实践性强,要求常去机库观察实物；要求常去机库观察实物；n 理性推理较差理性推理较差,要求认真上课。要求认真上课。第一章第一章 绪绪 论论二、基本内容和基本要求二、基本内容和基本要求内容：内容：n 飞机的外载荷飞机的外载荷n 不同类型飞机结构的分析；不同类型飞机结构的分析；n 飞机结构的传力分析；飞机结构的传力分析；n 飞机结构分析与设计基础；飞机结构分析与设计基础；n 飞机结构主要元构件设计原则；飞机结构主要元构件设计原则；第一章第一章 绪绪 论论内容要求：内容要求：掌握飞机结构分析和设计的基本手段掌握飞机结构分析和设计的基本手段-传力传力分析；分析；能够正确解释飞机结构元件的布置；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第一章 绪绪 论论1.1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：有效的战斗武器有效的战斗武器 空战、拦截、攻击、侦察、空战、拦截、攻击、侦察、预警、运输预警、运输 空中运输设备空中运输设备 载荷、运货、农林、赈灾、救护、载荷、运货、农林、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、战术性能指标能满足所需完成的任务。第一章第一章 绪绪 论论 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。第一章第一章 绪绪 论论二、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军事战略方针及战术 战略防御战略防御 要求；要求；商务策略商务策略,工、农业生产工、农业生产,赈灾救护等要求；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第一章 绪绪 论论2.2.飞机设计过程飞机设计过程 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；机载设备机载设备 包括燃油包括燃油 布置等重量分布设计；布置等重量分布设计；发动机选型设计；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：理论设计理论设计 打样设计打样设计；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。第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论飞机结构设计的地位飞机结构设计的地位第一章第一章 绪绪 论论 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：反复、循环、迭代、反馈；综合性、权衡性 第一章第一章 绪绪 论论3.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第一章 绪绪 论论三、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。第一章第一章 绪绪 论论2、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第一章 绪绪 论论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第一章 绪绪 论论1.2 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、规范和标准第一章第一章 绪绪 论论二、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；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。第一章第一章 绪绪 论论2、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。第一章第一章 绪绪 论论3、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维修条件：外场维修；场站或基地维修。第一章第一章 绪绪 论论4、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 第一章第一章 绪绪 论论三、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第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论动载动载/刚度刚度-有气动弹性要求的地方有气动弹性要求的地方,如：操如：操纵面、翼尖纵面、翼尖静载静载/强度强度-飞机中所有的元件飞机中所有的元件,如加强肋、如加强肋、接头等接头等静载静载/刚度刚度-有变形要求的地方有变形要求的地方,如：普通肋如：普通肋、机翼后缘、机械操纵系统、机翼后缘、机械操纵系统第一章第一章 绪绪 论论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：第一章第一章 绪绪 论论强度、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、基本要求一、基本要求第一章第一章 绪绪 论论二、基本要求概述二、基本要求概述 约束条件约束条件,边界条件边界条件 1、气动外形要求在结构设计中,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。第一章第一章 绪绪 论论、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 第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论、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。、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。第一章第一章 绪绪 论论、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。第一章第一章 绪绪 论论三、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：第一章第一章 绪绪 论论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-安全系数第一章第一章 绪绪 论论2、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第一章 绪绪 论论疲分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。第一章第一章 绪绪 论论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。第一章第一章 绪绪 论论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。飞机结构通常不允许有很大的安全系数,因为安全系数大将增加不必要的重量。同时还认识到由于裂纹的存在,安全寿命设计并不能完全确保安全。因此,采用下述疲劳设计准则；即允许构件带疲劳裂纹使用,但保证在这些疲劳裂纹被检查出来并进行维修或更换之前,不会因裂纹而导致结构发生破坏。这就是所谓破损安全设计。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。第一章第一章 绪绪 论论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。第一章第一章 绪绪 论论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；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。第一章第一章 绪绪 论论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。第一章第一章 绪绪 论论经历挫折与失败后,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。第一章第一章 绪绪 论论4、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。第一章第一章 绪绪 论论 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 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。第一章第一章 绪绪 论论 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、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。第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论从美国军用飞机规范看设计思想的演变从美国军用飞机规范看设计思想的演变第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论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n 现代设计理论包括结构优化设计、结构抗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疲劳设计、结构防断裂设计和结构可靠性设计计n 先进设计技术主要包括计算机结构辅助分先进设计技术主要包括计算机结构辅助分析析 CAE 和计算机辅助设计和计算机辅助设计 CAD 第一章第一章 绪绪 论论结构有限元分析以及在飞机结构设计中的应用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结构设计中应力和变形分析十分重要n 它是分析和评估结构承载能力、使用寿命、可靠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性和进行优化设计的基础n 又是修改设计和制定试验方案的依据又是修改设计和制定试验方案的依据n 特别对按疲劳、损伤容限设计的关键件特别对按疲劳、损伤容限设计的关键件,其应力其应力和变形的分析精度要求更高和变形的分析精度要求更高,需要有合适的模型和需要有合适的模型和计算方法才能满足要求。计算方法才能满足要求。第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论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n 结构结构指受力结构。由几个或几千个零件指受力结构。由几个或几千个零件结合在一起所构成结合在一起所构成,能承受规定的载荷能承受规定的载荷,满足规满足规定的强度、刚度、寿命、可靠性要求。定的强度、刚度、寿命、可靠性要求。n 飞机结构设计飞机结构设计主要指机体结构设计。机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、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。发动机舱结构、起落架结构等。第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论3 飞机结构设计的方法飞机结构设计的方法定性设计定性设计 定性设计粗略估算强度校核定性设计粗略估算强度校核定量设计定量设计 定性选取结构方案定性选取结构方案,精确计算元件尺寸精确计算元件尺寸智能设计智能设计 采用采用CAD和和CAE技术进行结构设计技术进行结构设计第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论定量设计定量设计n 工程梁理论工程梁理论,不能应用于三角机翼、小展弦不能应用于三角机翼、小展弦的结构的结构n 结构有限元素法结构有限元素法 本章结束第一章第一章 绪绪 论论