飞机结构设计-第2章--飞机的外载荷

第2章飞机的外载荷南京航空航天大学飞机设计技术研究所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？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的变化规律（包括大气气象规律的统计）。学习要点：①主要载荷形式；②主要载荷分类；③作用于结构如何分析。„2.1飞机结构上的主要载荷„2.2不同飞行条件下的过载„2.3其它载荷情况„2.4疲劳载荷„2.5飞机设计规范简介2.1飞机结构上的主要载荷„飞机在飞行、起飞、着陆、地面维护等使用过程中，作用在飞机上的外力称为飞机的外载荷„(1)飞行时的外载荷。„(2)起飞、着陆时的外载荷。机体坐标系速度坐标系1.质量力Rm—与飞机的质量和加速度有关的力，如：重力G；惯性力Nx等2.表面力Rf—由物体之间直接接触作用而产生的作用在飞机表面上的力，如：气动力Y、Yt；发动机推力T；地面支反力等载荷分类升力Y（L）阻力X（D）动力装置产生的推力T（F）起飞着陆时作用在前、主起落架的地面反力Pn、Pm表面力2.1.1过载的概念定义：飞机所受除重力之外的表面力总和与飞机重量之比称为过载系数n，简称过载。GRnf/=„过载系数可正，可负；与坐标轴方向一致为正，反之为负„习惯上将过载系数称为过载；平时所说的过载是指ny，∵一般地nx和nz均很小，且x方向的强度、刚度一般较好knjninnzyx++=222zyxnnnn++=RVgGPYndtdVgGXPnRRVamaGPYdtdVamaGXPyxnn221cos)sin(1sin)cos(/;cos)sin(/;sin)cos(+=++=+=−+=∴=+=++=+=−+θϕαθϕαθϕαθϕαττ半径为飞机运动轨迹的曲率平衡方程Θ2.1.2过载与加速度的关系gangangamGmRnnyxf+=+===θθτcossin1.过载系数表示了作用于飞机重心处(坐标原点)飞机所受的实际外力与飞机重力的关系。2.飞机的过载来源于加速度。如果飞行加速度为0，则=1。„过载的物理意义：yn„就Y方向而言，过载系数又表示了飞机实际的质量力情况：ny=质量力/G„质量力与飞机所受的外力大小相等，但方向相反（它们是平衡力系）；„因此，如以质量力来决定过载的方向，就应该是与飞机坐标轴正方向相反为正，反之为负。知道了过载系数ny→P=ny﹒G（CG处）→各点Psj，Psj=ny﹒Gjz它是飞机设计中很重要的一个原始参数，与飞行状态机动性密切相关zny可由过载表测量获得„过载系数的实用意义2.2不同飞行条件下的过载„2.2.1水平面内的定常直线飞行„2.2.2垂直平面内的曲线飞行„2.2.3水平面内的曲线飞行(正常布局)„2.2.4最大过载nymax„2.2.5非质心处质量的过载„2.2.6突风过载„2.2.7着陆过载2.2.1水平面内的匀速直线飞行图2.2匀速水平飞行∑Fx=0T=X∑Fy=0Y=G1==GYny0=−=GXTnx0zZnG==等速平直倒飞：ny=-12.2.2垂直平面内的曲线飞行„进入俯冲∑Fx=0:∑Fy=0:xNGXT=+−θsin0cos=−+θGNYyRVgGamNyy2⋅=⋅=ΘgRVRVgGYny22coscos1−=+⋅−==∴θθθθsin1sin−∂∂⋅=−=−=tVgGNGXTnxx„俯冲后拉起∑Fy=0θθcoscos2GGgRVGNYy+=⋅+=gRVny2cos+=θgRVn2max1+=当θ=0时,ny→max,„垂直俯冲特例：自由坠落情况GGNGNGGXTnxxx−=−−=−=)(2.2.3水平面内的曲线飞行(正常布局)z如知道γ∑Fn=0∑Fv=0如果用过载仪测出ny，也就知道γ，RVgGNY2sin⋅==γGY=γcosγcos1==GYnyyn1cos=γz如知道V和R：212221⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⋅=+=gRVGNGY2121⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=gRVny盘旋倾斜角越大，ny越大。当γ=75º~80º时，ny=4~6。当飞行速度增大时，如仍需作小半径盘旋，则需要采用大迎角飞行以产生大的升力，同时，需要克服升力增加所引起的阻力增大，还需要大的倾斜角，以产生作此盘旋所需的升力的水平分量（向心力）。很明显，此时将产生相当大的载荷系数。γcos1==GYny2121⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=gRVnyRVgGNY2sin⋅==γ2121⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=gRVny2.2.4最大过载nymax式中：p=G/S2maxmaxmaxmaxmaxmax12/1(,,,)HyyyYVncGGSfcHVpρ===1.20.4CymaxMHVVmax最大过载nmax的选取与飞机性能、设备性能和人的生理机能等均有关nmax愈大，机动性愈好；但nmax增大使结构受力增大，结构重量也增加，反过来又影响整个飞机的性能nmax↑，各种设备的惯性力↑，而很多设备对惯性力的承受也有限度，∴nmax↑对设备的要求也相应提高人对nmax的承受能力也有限飞行员承受过载的能力与过载方向和时间的关系图2.5抗过载服系统1-发动机引来的压缩空气；2-气滤；3-调压器；4-通信号灯；胶囊图2.6高过载座舱内的座椅1-可倾斜座椅；2-后撑弹簧筒z综合考虑这些因素，飞机设计中一般选取：9一类飞机：如歼击机、强击机，ny=-3~89二类飞机：可部分完成机动飞行：如战术轰炸机、多用途飞机，ny=-2~49三类飞机：不作机动飞行的飞机：如战略轰炸机、运输机，ny=-1~32.2.5非质心处质量的过载0002000//yyyyyyzxxxxxxznnnnagnxgnnnnagnxgεϖ=±Δ=±Δ=±=±Δ=±Δ=±图2.7与飞机质心不重合的各点上的过载图2.7与飞机质心不重合的各点上的过载①运动分析运动分析::旋转+平移②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。Ⅰ.平移速度载荷系数(质点)(外载分析法)Ⅱ.绕中心转动的载荷系数(质量力分析法)NoteNote::①表示单位长度上的重力②集中装载物(发动机,机载设备)③要注意装载物较长的情况,当作集中点误差太大,则其绕飞机重心轴的质量惯性矩为其中：iztmiiziiiiiiyyrxILYgGxmGamGNnαα1−====i表示转动轴线上的任意位置yrytynnn+=()02,izGLIxdxρ=∫绕自身重心轴的质量惯性矩GYGYGYGYntmtewyt±±==绕飞机重心的转动角加速度xi处的切向速度(y向)因此将会在装载物本身重心处产生一个集中惯性力据，即αz引起一个附加的惯性力矩：00iizGzGzMIαΔ=绕自身重心轴的质量惯性矩例：已知：飞机俯冲攻击并沿圆弧线拉起，已知V=1000km/h，R=1000m求：θ=45°，0°时ny各为多少？如限制ny≤8，则R应为多大？gRVny2cos+=θ573.8100081.96.31000707.045cos22=×⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=+=gRVnyο865.812=+=gRVny812≤+gRVmgVR64.112372=≥∴当：θ=45°θ=0：如限制ny≤8，则?例：飞机以过载系数ny=-3作曲线飞行，同时绕全机重心以角加速度ωz=3.92rad/s2转动，转动方向如图所示。若发动机的重量GE=1000kg，发动机重心到全机重心的距离L=3m，发动机绕其本身重心的转动惯量Iz0=120kgs2m，求：⑴发动机重心处的过载系数nyE，⑵如发动机悬挂在间距为1m的前后两接头上，发动机重心位于前接头后0.2m处，求此时前接头受到的支反力。L=3m前接头后接头重心重心Z？思路：显然支反力是由两方面的原因引起的：（1）由发动机重心过载引起的支反力；（2）因发动机较长，其重心处形成一个集中惯性力据，由此引起的支反力。00iizGzGzMIαΔ=绕飞机重心转动在发动机重心产生的附加过载系数发动机重心处的过载系数负值？Note:表面力与质量力的概念表面力支反力(表面力)合成支反力质量力平衡关系正值？①②③2.2.6突风过载„水平突风WV(0.15)，引起的水平方向过载可以忽略不计(不大于1.3~1.5)；„垂直突风引起攻角变化；20020/2(/)2/ayygyyyayycVSnnnnGcUVVnGSαρρΔ=±Δ=±=±„为什么研究突风过载？„民机与军机的区别？图2.8垂直突风速度为W时飞机飞行攻角的改变突风还可能引起振动，特别是在重型飞机上引起周期性的载荷（甚至共振）。„突风作用时间h考虑突风作用时间，引入突风衰减因子K，K1：02/ayygycUVnnKGSρ=±2.2.7着陆过载①这里的过载定义与空中飞行情况不同。当空中匀速飞行时,ny=1表示Y/G=1地面滑行或停止态时,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,即ny=1=Plg/GNote:i.这两种情况下的ny=1,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,而着陆主要是以集中力形式作用于起落架上,通过起落架作用于机身。ii.工程上,常称平飞时ny=1为平飞1g(g以重力为单位)；停机时ny=1为停机的1g②着陆时载荷分析:从着陆前到完全着陆瞬间,飞机y向速度从-Vy减至零,故此时的加速度为:所以，加速度a指向机体坐标系y的正向，故此时的惯性力(作用于地面)的方向是向下的。由动平衡分析:tvtvayyΔ=Δ−−=)(0glylPGNY=+−Yl③由着陆时的载荷(地面给予的外载荷)与重量之比的过载定义,即设:④这个过载不允许过大,一般ny=3-4(因为与飞行时对结构与人的作用不同)着陆运动的情况多样,还可能发生nx(前方撞击、刹车),或nz（侧滑）.GYNGPPnlyoy−+==lglg∑Fy=0对起落架的过载定义：Pld/PstyLdNGPY+=+gaGNGPYnyyLdy+=+=+=11GYNGPPnldystLdLg−+==两种定义的比较一般情况下，起落架着陆时的最大过载ny可达3∼4。飞机在地面的运动情况是多种多样的，因而，不但有ny，也还会出现nx(如前方撞击、刹车)以及nz(如侧滑着陆等)。2.3其它载荷情况„2.3.1热载荷„2.3.2噪音(声振)载荷„2.3.3瞬时响应载荷„2.3.4特殊情况的载荷2.3.1热载荷１）动力装置；２）气动加热；３）太阳的直接辐射和反射辐射。1.高温使结构材料的强度和刚度降低不同结构材料在不同的高度飞行时，考虑温度影响，长时间飞行的极限速度不同LY12钛合金＜不锈钢2.温度不均匀温度应力－构件失稳、疲劳材料性能变坏３.受热材料处于长期受力状态，还将发生蠕变，产生永久变形４.热疲劳问题金属材料长期在不变的温度和不变的应力作用下，发生缓慢的塑性变形的现象，称为蠕变。对于一般金属，蠕变现象只有在高温条件下才明显表现出来。但是，某些金属，如铅、锡及它们的合金，在常温条件下，也能表现出蠕变现象。产生蠕变所需的应力，甚至可以小于材料的弹性极限。蠕变现象的产生，是由三个方面的因素构成：温度、应力和时间。热疲劳当金属材料在工作过程中存在温差时，因部分的胀、缩相互制约而产生附加热应力。如果温差是周期变化的，热应力也将随之变化，同时伴随着弹、塑性变形的循环，塑性变形逐渐积累引起损伤，最后导致破裂。这种因经受多次周期性热应力作用而遭到的破坏称为热疲劳破坏。热疲劳裂纹一般发生在金属零件的表面，为龟裂状。2.3.2噪音(声振)载荷来源：动力装置空气动力武器发射问题：声疲劳图2.10某发动机喷口附近的声压情况2.3.3瞬时响应载荷来源：核武器爆炸、空中机轮制动、起飞助推、外挂物投放、弹射等2.3.4特殊情况的载荷„非正常状态的载荷：发动机停机、尾旋、单轮着陆、打地转、机头碰地、飞机翻倒、因故障强迫着陆等；„要求继续飞行并返回，在地面尽量减少对人员的伤害，尽量减少对飞机通道出口的阻塞；„鸟撞载荷：2000m以下以最大飞行速度飞行时，1.8kg的鸟