飞机结构—第二章-飞机的外载荷与设计规范

飞机结构第二章飞机的外载荷与设计规范第二章飞机的外载荷与设计规范本章主要内容1.飞机结构的主要载荷2.典型飞行姿态和载荷系数3.复杂载荷情况4.飞机设计规范与民航适航标准第二章飞机的外载荷与设计规范——§1飞机结构的主要载荷§1飞机结构的主要载荷1.飞机的外载荷飞行、起飞、着陆、地面停机等过程中，作用在飞机上的气动力、重力和地面反力等外力的总称。外载荷的大小取决于飞机的重量、飞行性能、外形的气动力特性、起落架的减震特性以及使用情况等许多因素。分为两类：1）飞行时的外载荷2）起飞、着陆时的外载荷第二章飞机的外载荷与设计规范——§1飞机结构的主要载荷飞机飞行载荷第二章飞机的外载荷与设计规范——§1飞机结构的主要载荷飞机飞行载荷第二章飞机的外载荷与设计规范——§1飞机结构的主要载荷等速直线平飞时的受载情况Y＝G，T＝X1YG第二章飞机的外载荷与设计规范——§1飞机结构的主要载荷俯冲后拉起时的受载情况2cosYvGgr第二章飞机的外载荷与设计规范——§1飞机结构的主要载荷飞机地面载荷第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数§2典型飞行姿态和载荷系数1.定义：除重力外，作用在飞机上的某方向上所有外力之合力与当时飞机重量之比值。也称过载系数（过载）矢量，符号n。x向：nx=(T-X)/G，小于T/G(现代飞机T/G最大值1.2-1.4)z向：nz=Z/G，一般较小y向：飞机升力同重力的比值ny=Y/G（一）载荷系数第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数2.物理意义：•用倍数的概念来表示飞机实际外力同重力之间的关系，是一个相对值。•表示飞机质量力与重力的比率。（一）载荷系数第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数3.实用意义：1）载荷系数确定，结合有关飞行参数，可以确定飞机结构上的各部分实际载荷的大小及方向，便于我们对飞机结构的强度、刚度等指标进行设计校验；2）飞机机动性的重要指标，通过载荷系数可以了解飞机的机动性能。（一）载荷系数过载表、过载曲线（P27）1-弹簧；2-重块；3-指针；4-阻尼器第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数（二）典型飞行姿态的载荷系数1.等速直线平飞221(1)21(2)2yxYGCVSTXCVS第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数（二）典型飞行姿态的载荷系数飞机速度的大小和方向改变，航迹为曲线。垂直平面内：a进入俯冲b垂直俯冲c俯冲后拉起水平平面内：水平等速转弯/盘旋曲线飞行（机动飞行）第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数2cosyYVnGgr（二）典型飞行姿态的载荷系数2.进入俯冲（视V和r的不同情况，ny可能为负，为正，或零）2cosGVYGgr第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数例1如图所示，飞机进行俯冲，已知此时θ=45º，r=1000m，测得飞机的ny=0，求此时飞机的飞行速度。第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数例1如图所示，飞机进行俯冲，已知此时θ=45º，r=1000m，测得飞机的ny=0，求此时飞机的飞行速度。0100081.945coscos22VgrVnyhkmsmV/81.299/28.83解：第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数xxNGTXnGG（二）典型飞行姿态的载荷系数3.垂直俯冲0,0yYYnG第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数（二）典型飞行姿态的载荷系数4.俯冲后拉起2cosyYVnGgr结论：若飞机的速度V，航迹的曲率半径r一定，则θ=0(最低处)时过载最大；若飞机的姿态、位置θ一定，则速度V越大，半径r越小，机动性越好，猛烈拉起），过载越大（飞机受力越严重）。第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数例2：（P26）如图所示，飞机俯冲后拉起。求：（1）当V=1000km/h，r=1000m，θ=45º、30º、0º时的过载ny各为多少？（2）如果最大允许过载系数nymax=8，在同样的拉起速度下，允许的拉起圆弧半径r为多大第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数87.7cos10008.93600/10001000coscos22grvny87.8,0736.8,30577.8,45yyynnn2cos8yvngr221123.64(8cos)(81)vvrmgg解：（1）（2）例2：（书P26）如图所示，飞机俯冲后拉起。求：（1）当V=1000km/h，r=1000m，θ=45º、30º、0º时的过载ny各为多少？（2）如果最大允许过载系数nymax=8，在同样的拉起速度下，允许的拉起圆弧半径r为多大第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数（二）典型飞行姿态的载荷系数5.等速水平盘旋(重要机动性能指标)cos1GYny坡度：β（盘旋倾斜角）第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数（二）典型飞行姿态的载荷系数6.突风载荷突风：方向、大小变化的不稳定气流突风载荷：因突风引起的、飞机受到的附加气动力（飞机可能迅速改变高度）水平突风/航向突风：（逆风或顺风），只改变相对速度的大小垂直突风：（向上或向下）改变相对速度的大小、方向，导致迎角变化侧向突风：使飞机侧滑，主要作用在垂尾上产生附加气动力。垂直突风是各向突风中最严重的情况第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数（二）典型飞行姿态的载荷系数垂直向上突风情况第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数（二）典型飞行姿态的载荷系数垂直向上突风情况SVuCKYy021GSVuCKnyy/210过载（升力）一样时，K越小，飞行速度V0可以更大，可快速通过强突风区；飞行速度V0一样时，K越小，过载Δny可更小，可提高乘客舒适感和飞行安全性。垂直突风衰减系数K第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数yytyrnnn1izitmayriizmaxYLnxGgI（三）考虑飞机转动时的载荷系数1.飞机转动时的载荷系数wtetmytYYYYnGGGG式中：Yw——机翼升力Yte——平尾平衡载荷Ytm——平尾机动载荷1)y向载荷nyt2)绕重心旋转载荷nyr第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数例3飞机在平衡飞行中作跃升机动。已知x1=4m，x2=－6m，La=5m，az=3rad/s2，Iz=10000N·m·s2，求x1和x2处绕重心旋转载荷系数nyz及平尾机动载荷Ytm。（书P31）第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数例3飞机在平衡飞行中作跃升机动。已知x1=4m，x2=－6m，La=5m，az=3rad/s2，Iz=10000N·m·s2，求x1和x2处绕重心旋转载荷系数nyz及平尾机动载荷Ytm。10.306iziyrziiimaxnaxxGg10.30641.224yrn20.306(6)1.836yrn10000360005tmazzzztmaYLaIIaYNL解：第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数iiPnG（三）考虑飞机转动时的载荷系数2.装载或设备作用在飞机结构上的质量力2.装载或设备作用在飞机结构上的质量力注意：对于飞机上较长的装载物，如发动机、油箱、导弹等，不能简单地当作一个质点，否则会带来较大误差。绕飞机重心的质量惯性矩应按下式计算：Iz0Gi是某个长装载物绕自身转动的质量惯性矩：该长装载物的重心处会出现一个集中的惯性力矩ΔMz0Gi，在计算支持结构的内力时应当计入：第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数20izGLIxdx20iiizGizGGIxIg（三）考虑飞机转动时的载荷系数00iizGzGzMIa第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数（四）着陆时的载荷系数着陆撞击:减速度——着陆时,飞机y向速度在较短时间内降为零着陆过载:起落架的实际着陆载荷与停机载荷之比战斗机:ny=3-4客机:ny2lglgylyoPGNYnPG第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数（四）着陆时的载荷系数注意：这里的过载定义与空中飞行情况不同。当空中匀速直线飞行时，ny＝1表示Y/G=1地面滑行或停止状态下，以升力来定义已无意义。这两种情况下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与于起落架上，通过起落架传到机身。工程上，常称平飞1g（g以重力为单位），和停机的1g第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数（五）飞机设计时最大载荷系数的选取1.影响最大载荷系数选取的因素:①载荷系数实际反映了飞机的机动性能，从这个意义上来说越大越好，但对客机或运输机来说没有多大必要；②载荷系数又反映了对结构的载荷作用，载荷系数越大，表明飞机结构的承载越大，要有足够的刚、强度，则结构重量越大；③载荷系数的载荷作用，不仅对结构有作用，而且对机载设备和乘员有载荷作用，载荷系数越大，对其影响越大，要视其承受能力而定。第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数（五）飞机设计时最大载荷系数的选取1.影响最大载荷系数选取的因素:④飞行时的载荷系数（除突风干扰外），一般来自发动机的推力，载荷系数大，剩余推力要大，动力装置要增重。⑤载荷系数的大小应根据飞机的类型、用途来适当确定，不是越大越好。第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数（五）飞机设计时最大载荷系数的选取2人对过载的反应:第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数3.提高人抗过载能力的措施1）抗过载服系统长时间的正过载作用中特别有效，可分为管式抗荷服和囊式抗荷服•管式抗荷服基本结构是使用拉伸系数小的材料制成的紧身裤，裤子的两侧，有二个可充气的侧管，此管充气膨胀时，导压带将衣服面拉紧对肢体加压，此类抗荷服较为复杂。（五）飞机设计时最大载荷系数的选取第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数•囊式抗荷服（五）飞机设计时最大载荷系数的选取第二章飞机的外载荷与设计规范——§2典型飞行姿态和载荷系数2）高过载座舱内的座椅研究结果表明与坐姿体位相比，后倾45°时，超重耐力稍有提高，77°时提高2.5G，85°时提高3.5G。（五）飞机设计时最大载荷系数的选取第二章飞机的外载荷与设计规范——§3复杂载荷情况§3复杂载荷情况飞机的载荷气动载荷起飞、滑行载荷着陆载荷机动弹射着陆撞击突风中断起飞回弹操纵面偏转颠簸侧偏运动部件干扰转弯单轮着地动力装置载荷惯性载荷其他载荷推力加速牵引扭矩滚转顶起陀螺力矩振动增压振动颤振鸟撞进气道压力坠撞气动载荷起飞、滑行载荷着陆载荷机动弹射着陆撞击突风中断起飞回弹操纵面偏转颠簸侧偏运动部件干扰转弯单轮着地动力装置载荷惯性载荷其他载荷推力加速牵引扭矩滚转顶起陀螺力矩振动增压振动颤振鸟撞进气道压力坠撞第二章飞机的外载荷与设计规范——§3复杂载荷情况飞机长期使用---所受载荷多次重复---形成疲劳载荷这种作用会导致结构的疲劳破坏1.类型：1）突风载荷：大气紊流的作用，是民机、运输机的重要疲劳载荷。危害性取决于大气紊流的强度以及作用的次数统计；（书P34）2）机动载荷：飞机机动（变速）飞行中升力变化载荷，是军机的主要疲劳载荷，取决于机动飞行的种类,飞行次数等；（一）疲劳载荷第二章飞机的外载荷与设计规范——§3复杂载荷情况类型：3）增压载荷：气密压舱一个飞行起落中，压力的变化，增压载荷的变化规律，作用次数等统计；4）着陆撞击