飞机结构与系统(第三章-飞机翼面结构)

南京航空航天大学民航学院第三章飞机翼面结构本章内容一些力学基本概念机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点翼面结构典型构件及受力特点翼面典型结构型式及受力分析后掠机翼与三角机翼飞机的气动弹性南京航空航天大学民航学院一些力学基本概念理论力学：研究刚体，研究力和运动的关系。材料力学：研究变形体，研究力与变形的关系。构件：工程结构或机械的各组成部分，可分为杆、板、壳、体。对构件的三项基本要求：强度：构件抵抗破坏的能力；刚度：构件抵抗变形的能力；稳定性：构件保持其原有平衡状态的能力。南京航空航天大学民航学院一些力学基本概念材料力学中对变形固体的三个基本假设：1.连续性假设：认为整个物体所占空间内毫无空隙地充满物质。2.均匀性假设：人为物体的任何部分、任何方向上力学性能相同，均匀分布。3.小变形假设：构件受力变形与自身尺寸相比很小，可以忽略。南京航空航天大学民航学院一些力学基本概念外力及其分类：外力是外部物体对构件的作用力，包括外加载荷和约束反力。按外力的作用方式分为：表面力和体积力。•表面力：作用于物体表面的力，又可分为分布力和集中力•体积力：连续分布于物体内部各点上的力。如物体的重力和惯性力。南京航空航天大学民航学院一些力学基本概念按外力是否随时间变化分为：静载荷和动载荷。•静载荷：载荷缓慢地由零增加到某一定值后，就保持不变或变动很不显著，称为静载荷。•动载荷：载荷随时间变化，可分为交变载荷和冲击载荷。南京航空航天大学民航学院一些力学基本概念内力、截面法和应力的概念1.内力：由于变形引起的物体内部的附加力。物体受外力作用后，由于变形，其内部各点均会发生相对位移，因而产生相互作用力。南京航空航天大学民航学院一些力学基本概念内力、截面法和应力的概念2.截面法：为求出内力，采用截面法。变形体内力的特征：（1）连续分布力系；（2）与外力组成平衡力系。南京航空航天大学民航学院一些力学基本概念内力、截面法和应力的概念2.截面法：内力的主矢和主矩：南京航空航天大学民航学院一些力学基本概念内力、截面法和应力的概念2.截面法：内力的分量：N－轴力T－扭矩Qy、Qz－剪力My、Mz－弯矩南京航空航天大学民航学院一些力学基本概念内力、截面法和应力的概念2.截面法：主要步骤：1）沿截面假想地截开截开，留下一部分作为研究对象，弃去另一部分；南京航空航天大学民航学院一些力学基本概念内力、截面法和应力的概念2.截面法：主要步骤：2）用作用于截面上的内力代替代替弃去部分对留下部分的作用；3）对留下部分，列平衡平衡方程求出内力。南京航空航天大学民航学院一些力学基本概念内力、截面法和应力的概念3.应力：为了表示内力在一点处的强度，引入内力集度,即应力的概念。南京航空航天大学民航学院一些力学基本概念杆件基本变形形式1.拉伸或压缩南京航空航天大学民航学院一些力学基本概念杆件基本变形形式2.剪切南京航空航天大学民航学院一些力学基本概念杆件基本变形形式3.扭转南京航空航天大学民航学院一些力学基本概念杆件基本变形形式4.弯曲若同时发生几种基本变形，则称为组合变形。南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点1.机翼的功用1）主要功用是产生升力，保证飞机的飞行性能和机动性能；布置副翼、扰流片等进行横向操纵；布置襟翼、缝翼增升装置改善飞机起降性能。2）安装其它部件，如起落架、发动机等；装载燃油等。一、机翼的功用与结构设计要求南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点1.机翼的功用机翼的结构重量占全机结构重量的30%～50%，占全机质量的8%～15%，机翼产生的阻力是全机阻力的30%～50%。一、机翼的功用与结构设计要求南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点一、机翼的功用与结构设计要求现代旅客机的机翼1-翼梁；2-桁条；3-襟翼；4-扰流片；5-副翼；6-蒙皮；7-前缘缝翼；8-挂架；9-翼肋。南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点一、机翼的功用与结构设计要求南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点一、机翼的功用与结构设计要求2.机翼结构设计要求：1）满足飞机结构设计基本要求。2）由于各结构部件功用不同，故设计要求的侧重点有所不同：①主要功用是产生升力→气动性要求是首要的：机翼保证产生足够升力，还要求阻力尽量小；②最小重量要求是主要要求：解决好强度、刚度、最小重量之间的矛盾，速度提高→矛盾突出；③使用、维修要求：保证燃油系统的可靠性；④工艺性和经济性要求，与一般飞机结构相同。南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点二、尾翼的功用与结构设计要求1.尾翼的主要功用：一般由水平尾翼（平尾）和垂直尾翼（垂尾）组成。南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点二、尾翼的功用与结构设计要求1.尾翼的主要功用：1）平尾保证飞机的纵向（俯仰）稳定性，并实施飞机纵向的操纵；2）垂尾保证飞机航向稳定性，并实施对飞机航向的操纵。南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点二、尾翼的功用与结构设计要求1.尾翼的主要功用：尾翼也是一个升力面，设计要求和构造与机翼类似：•保证气动性；•具有足够强度、刚度、损伤容限、寿命，最小重量。南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点三、机翼的外载特点1.外载类型：1）空气动力载荷。2）其他部件、装载传来的载荷，如：起落架、发动机、油箱等。（集中载荷、分布载荷）3)机翼结构的质量力南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点三、机翼的外载特点2.机翼总体受力：1）两种简化形式：①将每半个机翼看作支持在机身上的悬臂梁；②看作支持在机身上的双支点外伸梁。2）与一般工程梁相比的特殊性：①机翼高度(厚度)小，但其弦向尺寸（相对于梁宽）大多与翼展有相同量级（尤其如三角翼）；②机翼在机身上的固定形式复杂，应考虑结构支承的弹性效应。南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点三、机翼的外载特点3）机翼总体内力：剪力Q：Qn,Qh；弯矩M：Mn,Mh；扭矩Mt；南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点三、机翼的外载特点3）机翼总体内力：由于阻力相对升力很小，其引起的剪力、弯矩常常可以忽略。南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点三、机翼的外载特点4）机翼的扭矩：翼剖面的三个特征点：刚心、压心、质心。刚心：翼剖面上使结构不产生扭转变形的外力与翼弦的交点。当剪力作用于该点时，机翼只弯不扭，或机翼受扭时，将绕其旋转。南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点三、机翼的外载特点4）机翼的扭矩：压心（压力中心）：翼剖面上气动载荷的合力与翼弦的交点，也称焦点。q气动大小同该处翼弦长成正比，沿展向近似线性分布作用在压力中心线上，方向近似垂直翼弦。南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点三、机翼的外载特点4）机翼的扭矩：质心：机翼结构质量力与翼弦的交点。亚音速飞行时：通常压心在弦长28%处；刚心在弦长38%～40%处；质心在弦长42%～45%处。扭矩产生原因：三心（压心、刚心、质心）不重合南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点三、机翼的外载特点机翼在外载荷下的变形机翼与外载荷相平衡的内力南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点三、机翼的外载特点3.内力分布及结构特点：1.分布力作用下：（从翼尖到翼根）内力逐渐增大——机翼外形逐渐变宽变厚、内部构件增强2.集中力作用下：剪力图、扭矩图发生突变，弯矩图转折——该处应加强3.卸载作用：装载可减小翼根最大内力（剪力、弯矩、扭矩[部件在刚心前]）（机翼的内力图）南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点四、尾翼的外载特点安定面的受力情况与机翼类似。安定面：气动力、质量力、舵面悬挂接头传来的集中力。舵面：气动力、质量力南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点四、尾翼的外载特点尾翼上的气动力外载：1）平衡载荷：保证飞机纵向气动力矩平衡的平尾上的载荷。此时水平安定面上的载荷往往与升降舵的载荷方向相反，平尾受到较大扭矩。2）机动载荷：在不平静气流或机动飞行时偏转升降舵或方向舵产生的载荷，是尾翼的主要受力情况。南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点四、尾翼的外载特点尾翼上的气动力外载：3）不对称载荷：平尾：侧滑或横滚引起，载荷本身比机动载荷小的多，但引起的力矩较大。垂尾：除和平尾相同的横滚影响外，多发飞机不对称的发动机推力也会引起垂尾上的载荷。南京航空航天大学民航学院机翼、尾翼功用、设计要求及外载特点四、尾翼的外载特点尾翼上的气动力外载：3）不对称载荷：南京航空航天大学民航学院翼面结构典型构件及受力特点一、翼面结构的典型构件机翼结构：蒙皮纵向骨架：翼梁（缘条、腹板）纵墙桁条横向骨架：翼肋（普通肋、加强肋）南京航空航天大学民航学院翼面结构典型构件及受力特点一、翼面结构的典型构件机翼结构：蒙皮纵向骨架：翼梁（缘条、腹板）纵墙桁条横向骨架：翼肋（普通肋、加强肋）南京航空航天大学民航学院翼面结构典型构件及受力特点一、翼面结构的典型构件机翼结构：蒙皮纵向骨架：翼梁（缘条、腹板）纵墙桁条横向骨架：翼肋（普通肋、加强肋）机翼典型结构构件剖面南京航空航天大学民航学院翼面结构典型构件及受力特点一、翼面结构的典型构件歼六飞机机翼结构南京航空航天大学民航学院翼面结构典型构件及受力特点一、翼面结构的典型构件歼七飞机机翼结构南京航空航天大学民航学院翼面结构典型构件及受力特点一、翼面结构的典型构件1.蒙皮直接功用：形成流线型机翼外表面。承载：•垂直其表面的局部气动载荷；•参与机翼总体受力；•较厚蒙皮与长桁一起组成壁板，承受机翼弯矩引起的轴力金属蒙皮整体蒙皮（整体壁板）南京航空航天大学民航学院翼面结构典型构件及受力特点一、翼面结构的典型构件1.蒙皮金属蒙皮：硬铝或超硬铝合金、钛合金（M=2.5）、不锈钢（M=3）等。夹层蒙皮：1）上下面板+中间疏松性结构芯层（泡沫塑料、轻木等）南京航空航天大学民航学院翼面结构典型构件及受力特点一、翼面结构的典型构件夹层蒙皮：2）上下面板+中间蜂窝芯层（铝、钢、木）；3）上下面板+中间波纹板芯层南京航空航天大学民航学院翼面结构典型构件及受力特点一、翼面结构的典型构件壁板(加筋板)：1）薄板式壁板蒙皮较薄，可视为薄板，其受轴向压力临界失稳应力小于长桁的临界失稳应力。2）承力蒙皮与长桁铆接组合式壁板蒙皮较厚，临界失稳应力与长桁接近。南京航空航天大学民航学院翼面结构典型构件及受力特点一、翼面结构的典型构件壁板(加筋板)：3）整体壁板整块材料加工而成，重量轻、强度高。优点：•结构的总体和局部刚度好，蒙皮不易失稳；•机翼表面光滑，提高了气动外形准确度；•减少了装配量、钉孔应力集中及对壁板截面积的消弱。缺点：•装配中可能引起拉伸等原因产生的残余应力，易引起应力腐蚀；•设计不当时对裂纹扩展较敏感。南京航空航天大学民航学院翼面结构典型构件及受力特点一、翼面结构的典型构件2长桁：•参与机翼的总体受力——承受机翼弯矩引起的部分轴向力；•支持蒙皮，提高蒙皮的失稳临界应力。•占机翼结构重量的25%～40%（单块式机翼，承受轴力的主要元件）或4%～8%（薄蒙皮梁式机翼，桁条不受轴力）南京航空航天大学民航学院翼面结构典型构件及受力特点一、翼面结构的典型构件3翼肋：1）普通肋：（占机翼重量的8%~12%）•维持翼剖面形状•承受气动载荷•支持蒙皮和桁条和腹板，提高它们稳定性2）加强肋：•普通肋的功用•机翼结构的局部加强件，承受、传递集中载荷。（机翼同其它部件连接的固定接头处、作为开口处加强件、悬挂部件处）南京航空航天大学民航学院翼面结构典型构件及受力特点一、翼面结构的典型构件3）翼肋上的部分特征①孔---减轻重量（通常翼肋腹板强度有富余）；孔还可通过操纵系统的拉杆、电缆、各种管子等。②孔边带有弯边，为了提高翼肋稳定性