飞机结构设计课件1

第7章机身结构设计南京航空航天大学飞机设计技术研究所„机身结构设计受机身内部装载的要求和与其他部件的协调的影响较大，因此机身结构设计不能仅考虑结构受力本身，还要综合考虑其它各方面的要求。7.1机身结构型式的选择7.1.1机身的内部布置„合理地布置各种载重、燃油„协调机身与机翼、尾翼、起落架等部件的关系„这些布置是总体设计阶段协调安排确定的。„满足机身断面形状与尺寸大小沿纵轴的分布符合气动布局的要求„满足飞机对于重心的要求„机身的内部布置和机身与其它部件的连接往往决定了机身主要传力元构件的布置。7.1.2机身结构型式的选择„桁梁式：桁梁的截面面积很大，蒙皮很薄，长桁很弱。这种结构型式适合于大开口、小载荷的情况。„桁条式：长桁较密较强，蒙皮较厚。这种结构适合于小开口、中等载荷的情况。„硬壳式：厚蒙皮结构，几乎没有纵向构件，其外形和刚度好。这种结构适合于无开口、大载荷的情况。„相对弯矩„相对扭矩effZZ4DMM=effXX2DMM=图7.1当量直径Deff的定义„机身结构型式的选择7.2机身主要受力构件布置„受力构件布置的依据：„开口（位置、形状、大小和开口特性）：由内部布置和机身与其它部件的连接协调关系确定„集中力载荷：由装载布置与机身机翼、机身尾翼、机身起落架„机身受力构件布置主要是指横向构件(加强框、普通框)、纵向构件(长桁、桁梁、纵向加强壁板、加强长桁)以及蒙皮的布置。图7.2某强击机机身内部布置与主要受力构件的布置1-前机身桁条；2-垂尾安定面的后梁轴线；3-机身设计分离面；4-减速伞舱；5-炸弹舱；6-发动机；7-驾驶舱；8-加强框(8、12、13、16、20、24、25、29、30、41、44号，其中：24号加强框为机翼主梁对接框；17号为机翼前梁对接框；41号为全动平尾对接框；44为与平尾和垂尾相连的加强框；29、30为工艺分离面加强框)；9-油箱；10-前起落架舱；11-设备舱一、加强框的布置„(1)大集中力作用处(如：机翼梁接头处)；„(2)大开口的两端；„(3)设计分离面前后；„(4)气密增压座舱端框。„加强框的数目应尽量少，布置加强框必须遵循“一框多用”的基本设计原则。普通框„在加强框布置好以后进行的，取决于框之间的间距。„普通框的间距与长桁的截面或蒙皮的厚度有一定关系，一般地歼击机的间距为300mm左右，大型飞机的框间距约了350-500mm范围内。„普通框的间距根据统计数据或原准机确定，然后再根据机身内部安装需要作些调整。二、桁梁的布置图7.3桁梁布置„桁梁一般布置在机身剖面的四个象限的中间，即±45°附近„桁梁沿纵向一般等幅布置„桁梁尽可能保持连续不断并避免急剧转折图7.4桁梁错位的设计方案图7.5桁梁转折的传力三、桁条的布置„加强桁条：„一是为了传递平行于机身纵轴方向的集中力：机身减速板、机翼接头、尾翼接头、发动机推力接头„二是在机身的背部(上零纵)和腹部(下零纵)，以承受机身的弯矩MZ。„注意与原有的长桁或桁梁结合起来„“一件多用”加强长桁集中力扩散件R腹板p机身轴线隔框„普通桁条：„布置比较密，它们与蒙皮组成承力壁板„设计的初始阶段可按原准机或统计数据来确定长桁的间距与截面形状。„纵向布置应尽可能按等角辐射线布置，受力和工艺形好„歼击机：80～150mm„轰炸机和运输机：150～250mm四、蒙皮的布置„受剪承担剪力和扭距，作为壁板承受正应力„与机翼相比：结构高度大，载荷小，蒙皮薄„一般按受剪来确定„M2.5的飞机，机身蒙皮大多采用铝合金„飞行速度M3的飞机，在受热影响较大的部位机身蒙皮采用钛合金或不锈钢板材„一般机身中部受力大，两头受力小，故中部蒙皮比两头的厚。„必须考虑工艺制造、供货来源、生产成本等因素。图7.6某轰炸机机身蒙皮厚度分布7.3加强框的设计„类型：„刚框(环形)式„腹板式(包括球面框)„构架式„结构型式和参数与机身外形、内部装载布置、集中力大小、性质以及支持它的机身结构的特点有密切关系。7.3.1刚框式加强框„由内、外缘条、腹板、支柱等元件组成。„组合式：由挤压型材弯制的缘条、腹板及支柱铆接而成„整体式：用整体锻造毛坯经机械加工而成„混合式图7.7环形刚框在集中力作用下的内力分布(a)图7.7环形刚框在集中力作用下的内力分布(b)图7.7环形刚框在集中力作用下的内力分布(c)1)在法向集中力和集中力矩作用处，框缘截面的弯矩值最大2)法向集中力和切向集中力相比，前者产生的弯矩较大，其最大值为RP/4，而切向集中力产生的最大弯矩值约为RT/16。因此，当T=P时，法向集中力产生的最大弯矩值为切向集中力产生的最大弯矩值的4倍。„上述曲线不能作为强度计算的依据„工程梁假设不适宜机身的强度校核„实际上刚框的内力分布与刚框截面形状、框缘形状与尺寸、蒙皮对框的支持情况等因素有关。„实际刚框真实的内力分布必须通过有限元数值分析或者试验才能获得。二、刚框型式的选择三、结构设计„采用优化设计的方法，将框设计成等强度曲梁。„布局优化„趋势：整体件（疲劳性能优越、重量轻，不符合损伤容限设计，要特别重视结构细节设计和总体应力水平的控制）图7.8刚框的几种典型的形式(a)分段式整体刚框；(b)框腹板上的孔边裂纹（高拉应力区）(c)刚框整体件；图7.8刚框的几种典型的形式(d)运八43号环形框上部；(e)旅客机框；图7.8刚框的几种典型的形式图7.8刚框的几种典型的形式(f)安-12的13号加强框；7.3.2腹板式加强框„框平面布置有腹板和纵横向型材，它相当于一个平面板杆结构。„全腹板框„大多数是部分腹板框图7.9腹板框(a)带有旅客机通过门腹板框；(b)某轰炸机前起落架连接框„腹板框的受力特点„传力过程与平面板杆结构相同。在集中力作用处布置加强型材（集中力扩散件）„歼-6飞机机身机翼对接框图7.10歼-6飞机机身机翼主梁对接框(a)加强框，1-横梁，2-上下缘条，3-立柱，4-中腹板；图7.10歼-6飞机机身机翼主梁对接框(b)对称弯矩作用下的传力分析；(c)对称剪力作用下的传力分析；(d)不对称弯矩分解；图7.10歼-6飞机机身机翼主梁对接框(e)不对称弯矩作用下传力分析图7.11前起落架连接框的传力分析(a)不对称集中力的分解；(b)对称剪力的传递；(c)反对称剪力的传递7.4开口区结构设计„阐述了各种类型的开口与口盖的设计原理与方法。„开口区的结构设计并不存在唯一准确的设计方案7.4.1开口的种类„按照开口尺寸的大小分类：„大开口：完全破坏了总体载荷的传力路线„中开口：破坏了载荷的局部传力路线„小开口：不破坏载荷的传力路线„口盖受力情况分类„非补偿口盖(快卸口盖)„部分补偿口盖（主要传剪）„完全补偿口盖。7.4.2小开口区结构补强设计„一、无口盖的小开口„一般处于梁腹板、肋腹板和框腹板„开口形状尽量设计成圆形，减小应力集中中空口框内力与外形关系图（受剪）方形口框上弯矩要比圆形大28%左右基体结构受剪、有界开口„对于翼梁腹板上的开口，假设开口是长方形„应把长边布置在水平方向上M=1/4q0ab图7.13小开口结构补强设计（加一个加强口框）(a)无支撑筋条的三种口框设计；(b)有支撑筋条的设计方案图7.14带口盖的小开口的补强设计(a)圆形开口，平板口盖；(b)方形开口，带筋条口盖；图7.14带口盖的小开口的补强设计(c)连续开口壁板7.4.3中开口区结构补强设计„一是机体内部无口盖的开口，如在梁腹板上有比较大的开口，破坏了剪切载荷的传递„二是机体蒙皮上的开口一、梁腹板上开口图7.15腹板上中开口的加强(a)腹板上的中开口；(b)开口的传力分析；(c)开口加强方案二、旅客机窗户图7.16旅客机窗户的补强设计三、舱门图7.17机身舱门开口的结构补强设计开口区刚度要求不高的中开口区补强设计的一般方案7.4.4大开口区结构补强设计„大开口的具体情况不同，开口区结构的补强方案也不同，所以很难给出一个通用的开口区结构补强方案。图7.19机身大开口(a)机身腹板大开口；(b)口框梁形式；(c)弯矩传递分析；(d)扭矩传递分析一、单闭室机身上的大开口二、双闭室机身上的大开口„利用完整的闭室，对开口段的相应结构件进行补强设计。三、单块式机翼大开口图7.20单块式机翼根部开口区的结构设计