第四章--机翼尾翼的结构分析

第4章机翼尾翼的结构分析4.1机翼的功用、设计要求和受载特点4.1.1机翼的功用和设计要求一、机翼的用途•气动作用：保证飞机的飞行性能和机动性能，横向稳定性和操纵性•安装起落架、发动机、贮放燃油、武器等。图4.1现代旅客机的机翼•机翼的结构重量占全机结构重量的30%~50%，占全机重量的8%~15%。由它产生的阻力是全机阻力的30%~50%。二、设计要求•总体要求（4点）•气动要求：保证一定的升阻比K＝Cy/Cx；由机翼增升装置产生的升力系数增量△Cymax值要尽可能地大；从亚音速飞行转到超音速飞行时飞机的稳定性、操纵性和气动性能的变化要尽可能地小，•热量要尽可能少地传入结构•放置各种装载物的容积要尽量大。4.1.2机翼的受载•分布气动力：以吸力和压力形式直接作用在蒙皮上；•机翼结构的质量力：分布在机翼整个体积上；•集中力：与机翼连接的其它部件(如起落架发动机)、装载物(油箱、炸弹)以及各类增升翼面从它们的连接接头上传给机翼。各种受载情况下气动载荷的弦向分布•亚音速气动力沿机翼弦向分布如图所示•副翼不偏转时的超音速飞行时可以认为载荷沿翼弦为均匀分布β角很小，取cosβ=1，升力由机翼产生qblndGKsKs为气动力沿机翼展向的分布不均匀系数假定气动力分布沿机翼翼展不变(Ks＝1)，于是:SqbndGb图4.3三角机翼上的气动力分布对于三角形机翼在Ma１时，当cysecb=cywbav时，系数Ks等于１qb=nG/l=常数当Ma1时:qb≈(nG/S)b压力中心在翼弦上的位置：secbxpcycymzmz0式中mz0是零升力矩系数。对于对称翼型，mz0=0，并且机翼的压力中心与焦点重合，即хp=хF。＋=-（）图4.4机翼焦点位置与飞行M数的变化关系•机翼结构的质量力为空气动力的8～15%，它们按与空气动力同样的规律分配：qw质量力qw的作用点xm就是剖面的质心，一般位于距前缘4050%的弦长处。qqbqwqb(1mw)它距前缘的距离为：xeqi(qbxpqwxm)/qndGwSb•装在机翼内或悬挂在其上的各部件和装载物的质量力Pp作用在部件或装载物的质心上。通过与机翼的连接点传递到机翼上去，机翼某横截面承受的扭矩，等于该横截面外端机翼上所有外力对机翼刚心轴力矩的代数和。二、机翼在外载荷作用下的受载情况图4.5气动载荷沿翼展和翼弦方向的分布•在a-a切面上产生了限制位移的内力—剪力Q和弯矩M•相对于z-z轴，产生了扭矩Mt•剪力Q使翼梁腹板或墙腹板受剪；•弯矩M作用下机翼承受弯曲变形•扭矩Mt的作用下机翼承受总体扭转变形机翼的Q和M图zQqdzPpl/2zMQdzl/2机翼上的展向分布载荷近似为：SSwwbqqqGGwnbnG(1m)b图4.8转直后的后掠机翼各剖面上的Q和M(近似值)三、机翼剖面上的Q和M值的近似求法如果载荷沿机翼翼展与翼弦长成比例，则在z剖面处：secSqdznG(1mw)SQz(l/2)0而弯矩M=Qc，式中b3secqdznG(1mw)SQz(l/2)0而弯矩M=Qc，式中bbtsecqdznG(1mw)SQz(l/2)0而弯矩M=Qc，式中(l/2)0zb2btcmzqb(xzxp)qw(xmxz)四、扭矩MtzMzmzdzMzpl/2分布力qb和qw相对于Z轴产生的分布扭矩:•部件的集中力产生的相对于Z轴的力矩之和MzPMzPPPxPPh图4.9计算机翼的M图得到Mz和Q图以后，可以对任一剖面求出力Q作用点到Z轴的距离：(图4.10)。若已知刚性轴的位置(距离d)，对它的扭转为Mt=dQ。图4.10扭矩Mt4.2.1蒙皮的初始受力蒙皮支持在桁条和翼肋上，以压力和吸力形式直接承受气动载荷。此时，蒙皮受拉伸（如果是厚蒙皮—它也受横向弯曲)。4.2典型受力型式机翼的气动载荷传力分析4.2.2桁条将载荷传到翼肋上1－补偿片；2－梁；3－壁板筋条；4－整体壁板；5－角撑；6－翼肋缘条；7－翼肋腹板；8－对接接头。图4.13蒙皮、翼肋和桁条之间的互相连接型式4.2.3翼肋将载荷传到蒙皮和翼梁腹板上翼肋传递到蒙皮上的载荷qti为：conticonti2F2FQiciMtiqti式中：Fcont闭室面积；ci剖面上刚心和压心之间的距离。剪力Q由两个翼梁共同承受，它们承受与其抗弯刚度成比例的力Q1i和Q2i：211i(EJ)1i(EJ)(EJ)QQ剖面上相对于刚心的扭矩Mt为：MtiQi(xpxg)Qic刚心相对于前翼梁腹板的位置xg可以按以下公式求出:212(EJ)1(EJ)(EJ)QQg(EJ)2(EJ)1(EJ)2xB4.2.4翼梁的受力根据翼梁腹板的平衡情况(图4.15(c))，可知：梁腹板还要受来自于上下缘条连接铆。钉的剪流qf的作用，并且：qfq1i缘条在qf的作用下产生轴向力流Sf(图4.15(a))，向机翼根部累积，在机翼根剖面由前(第1)梁固定接头的反力S1和后(第2)翼梁固定接头的反力S2平衡(图4.15(d)、(e))。由翼梁腹板传递到缘条上的剪流在向机翼根部累积的过程中其轴向载荷使壁板受载，壁板以此形式承受弯矩。此时轴向载荷在纵向构件(翼梁缘条和壁板)之间按抗弯刚度分配(图4.15(d)、(e))。4.2.5蒙皮的总体受载由翼肋传递到蒙皮闭室上的剪流形成沿翼肋阶梯式累积的扭转力矩，该扭矩由蒙皮和后墙形成的闭室承受。扭矩从翼梢向翼根累积，在机翼根部剖面处的扭矩Mtr等于(图4.16)。这一力矩在机翼根部剖面由力臂为B的力偶Rt来平衡:RtMtr/B由于Mt的作用，机翼蒙皮如同翼梁腹板一样受剪。图4.16机翼受扭图蒙皮以剪切形式承受扭矩Mt。为使扭矩能以闭环剪流qt的形式沿蒙皮传递，必须满足以下条件：(1)蒙皮应是封闭的，周边不应有开口，切向应力沿闭室周边传递。(2)在机翼根部，蒙皮应支持在根部加强肋上，该翼肋能将Mtr转换为力偶Rt；(3)在使用载荷作用下，蒙皮不应失稳；(4)蒙皮应有足够的厚度，以防止在飞行中由于机翼扭转变形。双梁机翼传力分析综述蒙皮扭矩弯矩剪力局部气动力翼肋长桁梁蒙皮蒙皮长桁接头机身一对剪力（形成力偶）蒙皮根部加强肋剪力扭矩机翼的主要受力构件4.3.1蒙皮■形成良好的气动外形■传递局部气动载荷■薄蒙皮与前后梁（墙）组成闭室传扭■厚蒙皮与前后梁（墙）组成闭室传扭，与长桁、缘条组成壁板传弯■依据飞机的受力分析，蒙皮的质量占机翼质量的25~40％。4.3机翼主要受力构件的用途和结构型式图4.17蒙皮的对接4.3.2桁条▪支持蒙皮形成外形▪传递局部气动载荷▪参与总体受力(机翼由弯矩引起的轴向力,这些力的大小取决于机翼的结构受力型式、桁条横截面的形状和面积。)▪桁条质量与机翼质量之比为从梁式机翼的4~8％到单块式机翼的25~30％。图4.18桁条型材的剖面形状桁条的分类及特点：桁条按照截面形状有开式和闭式截面，按制造方法有板弯桁条和挤压桁条。板弯开式桁条：容易弯曲，与蒙皮贴合好，得到的翼面光滑。容易与蒙皮和其他构件固接。稳定性差，不承受弯矩。板弯闭式桁条：稳定性好。可以参与承受一些机翼的弯矩，提高桁条和蒙皮压缩的临界应力。但是这种桁条和蒙皮铆接时有两条铆缝，对于保持机翼表面的光滑性不利。挤压式桁条：硬铝挤压而成，有较厚的腹板，稳定性好，圆头加强边可以增大桁条的抗弯刚度，还可以对桁条壁起支持作用。4.3.3翼梁■传递总体剪力(加强支柱加强的腹板)■总体弯矩(缘条)■腹板与机翼周边形成闭室，参与承受扭矩Mt■支持处固接■翼梁质量与机翼质量之比为从单块式机翼的7~11%到梁式机翼的23~28%。■根据腹板的结构型式，翼梁有腹板式(图4.19(a))、桁架式(图4.19(c))和整体式。图4.19梁式和桁架式结构的翼梁。翼梁切面上剪力Q和弯矩M的平衡4.3.4纵墙纵墙处于受扭的横切面之中，承受Mt引起的剪切▪传递总体剪力▪局部弯矩▪缘条较弱，支持处铰接▪▪纵墙还把机翼翼盒与前后增升装置分开图4.20纵墙结构方案4.3.5翼肋翼肋按其功用和结构型式可分为：•普通肋•加强肋一、普通肋▪形成机翼剖面所需的形状▪给长桁和蒙皮支持，将原始气动载荷(从蒙皮和桁条)传到翼梁和蒙皮上，并将局部扭矩传给闭室▪翼肋对蒙皮和桁条提供支持，并提高它们的失稳临界应力。通常等距分布。▪翼肋又支持在翼梁和蒙皮上，翼肋在自身平面内承受弯曲和剪切。图4.21翼肋结构方案图4.22沿翼弦平面分为两半的翼肋结构图4.23翼肋的缘条和腹板与翼梁的缘条和腹板及机翼的壁板对接结构方案二、加强翼肋•承受与机翼相连的其他部件(起落架支柱、发动机、副翼及机翼其它活动部分悬挂接头)传来的集中力和力矩，并将它们传递到机翼的大梁和闭室上；•在纵向构件轴线转折处重新分配壁板和腹板上的载荷；•用于在机翼对接处和在大开口两边将Mt转变为一对力偶。图4.24加强翼肋的结构受载和平衡图4.25根肋的结构和受载普通翼肋和加强翼肋的功能维持机翼的翼型支持蒙皮、桁条、腹板，提高它们的稳定性传递载荷，把蒙皮和桁条传给它的局部空气动力传给梁腹板，而把局部空气动力形成的扭矩，通过铆钉以剪流的形式传给蒙皮和梁腹板。加强翼肋除了上述功能外，还要承受和传递较大的集中载荷。4.4直机翼的结构受力型式能承受剖面上总体载荷(剪力、弯矩和扭矩)的机翼构件的总和形成了机翼的基本承力系统（主要元件的组成形式）。弯矩M是机翼横剖面上的主要载荷(用于承受它的结构质量占机翼总质量的50%)。根据蒙皮、桁条和翼梁缘条参与承受弯矩的程度，把机翼分为：•梁式（集中式）•整体式机翼（分散式）：单块式、多腹板式梁式机翼：纵向的梁很强（单梁、双梁、多梁）；蒙皮较薄；长桁较少且弱；有时有纵墙:▪弯矩主要由翼梁缘条承受。▪剪力由翼梁腹板承受▪扭矩由蒙皮和后梁(后墙)腹板形成的闭室承受。▪整体式机翼：弯矩主要由蒙皮及其加强桁条或波纹形壁板承受。这种机翼的蒙皮较厚、桁条较强，而梁(墙)较弱。▪单块式机翼：腹板较少，且腹板缘条承受弯矩的能力较弱。长桁较多且强；蒙皮较厚；纵梁较弱；有时无纵梁而只有纵墙。▪多腹板式机翼：有较多的纵向梁和墙（一般多于5个）；厚蒙皮；无长桁；少翼肋，弯矩由缘条和蒙皮共同承受。多用于小展弦比的高速薄翼飞机。•注意：这些受力形式在同一机翼上混合存在•从现代飞机的翼面结构来看，薄蒙皮梁式结构已很少采用；大型高亚音速的现代运输机和有些超音速战斗机采用多梁单块式翼面结构；而M数较大的超音速战斗机，很多采用多墙（或多梁)式机翼结构(图5.4)，间或采用混合式结构型式。4.4.1梁式机翼(单梁、双梁和多梁机翼)一、单梁式机翼•翼梁布置在翼剖面结构高度最大的部位，刚心处•为形成具有抗扭刚度的闭室，在单梁机翼上布置一个或两个纵墙•在加强肋(它们与后墙的对接处)上固定有悬挂襟翼和副翼的连接支臂。4.26带前后墙的单梁式直机翼单梁（单、双）墙直机翼的传力分析气动力蒙皮长桁翼肋墙梁蒙皮侧边肋接头机身蒙皮蒙皮长桁二、双梁式机翼前梁布置在2030%弦长处后梁布置在6070%弦长处相对于后梁，前梁的横截面面积、剖面高度和惯性矩要大些，它分担大部分的剪力Q和弯矩M。图4.27双梁式直机翼结构三、多梁(多墙)式机翼▪当蒙皮有足够的刚度时，这样的结构中可以不用翼肋▪将蒙皮厚度减小，而用较密的翼梁或纵墙(或两者)来加强蒙皮▪机翼不仅刚度大，生存力强，而且重量也轻，因为蒙皮薄，且无普通翼肋。▪多梁式机翼(在小后掠角时)扭矩的传递可以近似地认为与双梁式机翼相似。图4.28多梁式机翼结构梁式机翼的构造特点装有一根或两根强有力的翼梁蒙皮很薄桁条的数量不多而且较弱，有的桁条还是分段断开的便于在机翼上开口，方便检查与机身（或机翼中段）连接比较简单生存力较差，不适用于作整体油箱。梁式机翼的受力特点桁条承受轴向力的能力较小蒙皮几乎不参与受力弯矩引起的轴向力主要由翼梁缘条承受4.4.2单块式机翼•经常有中