飞机结构设计

飞机结构设计1第一章绪论授课内容课时第一章绪论2第二章飞机的外载荷与设计规范7＋1第三章翼面结构和机身结构分析16＋2第四章飞机结构设计基础6第五章机翼、尾翼设计10第六章机身及开口区结构设计8第七章飞机复合材料结构设计2总结2合计56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：①掌握飞机结构分析和设计的基本手段----传力分析；②能够正确解释飞机结构元件的布置；③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飞机的研制过程1.2飞机结构设计的原始条件1.3飞机结构设计的基本要求1.4飞机结构设计的现代理论与先进技术1.5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.功用：有效的战斗武器（空战、拦截、攻击、侦察、预警、运输）空中运输设备（载荷、运货、农林、赈灾、救护、勘察、运动）2.要求：技、战术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：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：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：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：1速度2升限3巡航高度4活动半径5起飞着陆距离6轮胎压力，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：一、任务，二乘员，三动力装置，四、主要性能：1最大爬升率2升限3最大平飞马赫数4着陆速度5续航时间，五、军械设备，六、其它要求。第一章绪论10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：一、功用，二动力装置数量，三、商务载重，四、乘员组，五、主要性能：1）巡航速度2）巡航高度3）海平面爬升率4）客舱增压5）起飞滑跑距离6）起飞距离7）着陆滑跑距离8）着陆距离，六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。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：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；制定：主要性能指标；主要使用条件；机载设备等。效能分析、费效分析第一章绪论122.飞机设计过程(1)总体设计：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；发动机选型设计；结构总体尺寸设计。(2)结构设计：理论设计（打样设计）；强度、刚度设计；细节设计；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：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：反复、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：①创造性的思维过程；②全面综合的辨证过程(矛盾分析、抓主要矛盾)③设计的不唯一性；④设计的反复性；⑤设计的继承性；⑥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：①总体设计阶段；②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。③飞机结构的详细设计结构件连接设计、细节设计、工程制图。④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①总体研制方案论证②初步设计③详细设计④试制与试验⑤试飞与设计定型⑥小批生产与生产定型⑦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：①使用方提出的战技要求或使用—技术要求②飞机三面图及理论外形图③飞机总体布置图④重量指标分配及总重量⑤使用寿命要求⑥载荷和使用环境条件⑦维修性要求⑧生产条件和工艺性要求⑨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①外载的形式(集中的、分布的、冲击型的、周期型、热的等)；②外载的历程特征(不同的飞行，载荷的变化规律)；③外载对结构的作用效应（抖振、颤振）；④结构承载的强度、刚度(静、动、热、整体的、局部的)要求；⑤结构寿命要求；损伤容限要求；⑥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①各部件的相对位置以及相互间连接交点的位置（不能改动）；②零、构件之间在连接尺寸上的协调关系；③各构件间或构件与内部装载间的位置、形状协调；④部件或组件结构的外边界一般与飞机的理论外形相协调；⑤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①静强度设计准则②刚度设计准则③热强度设计准则④疲劳、耐久性设计准则⑤损伤容限设计准则⑥气动弹性设计准则⑦动强度设计准则第一章绪论26第一章绪论动载/刚度----有气动弹性要求的地方，如：操纵面、翼尖静载/强度----飞机中所有的元件，如加强肋、接头等静载/刚度----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29①强度、刚度要求②疲劳、耐久性要求③损伤容限要求④维修性要求⑤适航性要求⑥合理选材⑦工艺性要求⑧低成本设计要求⑨重量要求⑩防雷击要求11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31２、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３、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。４、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34５、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。上个世纪20~30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edPfPduPPdudPePuPf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maxdcrVVV),,(aassffcrVfVfVfVdVcrVasfVVV,,maxV第一章绪论•颤振是飞机结构的自激振动，其能量来自飞行时周围的空气。•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