飞机结构与系统第一章

涡轮发动机飞机结构与系统ME-TA济南职业学院航空教研室胡宗义•涡轮发动机飞机结构与系统ME-TA信息•本书分上、下两册，上册分7章。•下册分为9章.涡轮发动机飞机结构与系统（上）第一章飞机结构第二章液压系统第三章燃油系统第四章起落架系统第五章飞机操纵系统第六章空调系统第七设备/设施与水系统涡轮发动机飞机结构与系统（下）第二章第一章飞航空器电源第四章第三章防冰和排雨系统第六章第五章自动飞行控制系统第八章第七章通信系统防火系统第九章灯光和氧气系统仪表系统导航系统机载维护系统第一章飞机结构1.1飞机结构的基本概念1.1.1飞机外载荷及飞机结构承载能力1.飞机外载荷（1）飞机外载荷分类飞机外载荷按其作用性质可分为：集中载荷：载荷集中作用在结构上的某一部位。如，通过接头作用在机翼结构上的发动机载荷、起落架载荷。分布载荷：载荷分布作用在结构的某一范围内。如，作用在机体表面的气动载荷等。飞机外载荷按其作用性质可分：静载荷：载荷逐渐加到飞机结构上，或加到结构上以后它的大小和方向不变或变化很小，这种载荷叫静载荷。如，飞机停放时起落架承受的载荷；用千斤顶逐渐将飞机顶起，飞机结构承受的载荷都是静载荷。动载荷：载荷突然加到飞机结构上，或者加到结构上以后，它的大小或方向有着明显变化，这种载荷叫动载荷。如，飞机着陆时起落架受到的地面撞击力；飞机在不平地面上滑跑时，产生颠簸，结构承受地面的作用力都是动载荷。•飞机外载荷按飞机所处状态又可分为：飞行时，作用在飞机上的外载荷；起飞、着陆、地面运动时，作用在飞机上的外载荷。（2）飞行中飞机的外载荷及过载1）飞行中飞机的外载荷飞行中，作用在飞机上的外载荷有飞机重力、空气动力和发动机推力。当外载荷形成平衡力系时，飞机进行匀速直线运动，也就是定常飞行；外载荷不能形成平衡力系时，飞机进行变速运动，也就是非定常飞行。•如图，飞机在某以高度上做水平匀速的巡航飞行，作用在飞机上的外载荷有重力W、气动升力L0、气动阻力D0和发动机推力P0。选机体坐标系（OXtYtZt）,并将外载荷向坐标系原点--全机中心O简化，得到作用在重心处的共点力系和抬头力矩MA，低头力矩MB。WL0D0P0OytxtMAMB•飞机在匀速直线飞行，这些外载荷必须满足下列平衡方程：∑x=0P0=D0∑Y=0L0=w∑MZ=0MA=MB如果外载荷不满足平衡方程，飞机就会做变速运动，速度的大小或方向会发生变化，改变原来的飞行状态。XtytMAMBP0D0L0W•如：P0D0，飞机会加速；L0W，飞机会产生向上的曲线飞行；MA≠MB,飞机会抬头或低头，产生绕机体横轴Zt转动的角加速度等。L0P0D0WMAMB2)过载（载荷系数）过载的定义和物理意义飞行中，作用在飞机上的外载荷的大小和方向可以用过载n表示。分为沿纵轴过载nx、沿立轴过载ny、沿横轴过载nz。飞行中变化比较大，对飞机结构强度影响比较大的过载是ny。一般说飞机过载就是指ny。ny的定义:作用在飞机上的升力L和飞机飞行重量W之比.即ny=L/w飞机过载是代数值，不但有大小而且有正负。过载的大小表示升力是飞机重量的几倍；正负表示升力的方向。如：ny=3表示飞机升力是飞机重量的3倍，正号表示升力指向Y轴的正方向。•ny=-0.5，表示飞机升力是飞机重量的0.5倍,负号表示升力指向y轴的负方向.•飞机过载按其产生的原因分为机动过载和突风过载。•随着飞机机动飞行而产生的过载，称为机动过载；•由于突风作用，飞机气动力大小变化而产生的过载，称为突风过载。歼七机动过载飞机水平飞行时，因为L0=W，所以ny=L0/w=1;当飞机机动飞行时，ny会发生较大的变化。突风过载大气中，空气对流造成的不稳定气流称为突风。吹向飞机方向的不同又分为水平突风和垂直突风。突风会改变气流相对飞机运动速度的大小和方向，从而改变飞机升力的大小。这一升力大小的变化用突风过载表示。歼10可超极限飞9G④部件过载前面根据作用在飞机重心处升力L和飞机飞行重量W之比得出过载ny值，这个过载称为飞机重心过载，也叫全机过载。知道全机过载，就可以知道全机升力的大小和方向。部件过载是研究飞机不同部位的过载值，它等于全机过载和附加过载的代数和。（3）起飞、着陆、地面运动时，作用在飞机上的外载荷和起落架载荷系数1）起飞、着陆、地面运动时，作用在飞机上的外载荷这三种情况作用在飞机上的外载荷除了空气动力、飞机重力、发动机推力，还有地面对飞机的作用力。苏-302）起落架载荷系数3）垂直载荷、水平载荷和侧向载荷2.飞机结构的承载能力飞机结构的承载能力表现在对飞机的使用限制和飞机结构承载余量两个方面。（1）飞机在飞行中的使用限制（2）飞机在地面上的使用限制（3）结构的稳定性2.飞机结构件的分类根据结构件失效后对飞机安全性造成的后果，结构件可划分为重要结构项目和一般（其他）结构项目。重要结构项目是指一旦损坏，会破坏飞机结构的完整性，且会危及飞机的安全性，如：机翼、尾翼、操纵面及其系统、机身、发动机架、起落架及上述各部分有关的主要连接构件等。一般结构项目是指不包括在重要结构项目内的部件或组件，如：机身与机翼连接部位的整流蒙皮等。•本次课小结本次课介绍了两个内容，一是飞机结构的基本概念；二是飞机结构适航性要求和结构分类。涉及的概念有飞机外载荷及分类、载荷系数、飞机结构的承载能力和承载余量、飞机结构的适航要求、飞机结构件的分类。重点是各概念，难点是各系数公式和结构件受力分析。要记住重点理解难点。思考题：1.飞行中，作用在飞机上的外载荷有哪些？P32.飞机结构的适航性要求有哪些？P133.飞机结构件有哪些分类？P151.1.3飞机结构受力分析的基本概念1.载荷作用下的变形结构件在载荷作用下，其尺寸和形状的改变叫变形。形式基本有5种：拉伸、压缩、剪切、扭转和弯曲。杆件变形的基本形式：内容种类外力特点变形特点轴向拉伸及压缩AxialTension剪切Shear扭转Torsion平面弯曲Bending组合受力（CombinedLoading）与变形262.内力当构件在载荷作用下发生变形时，构件材料分子之间会产生反抗变形，力图使其恢复原形的力，就是内力。内力与引起内力的外载荷大小相等、方向相反。对应变形的5种形式，内力的基本形式有：拉力、压力、剪力、弯矩和扭矩。3.应力和应变在载荷作用下，结构件截面单位面积上的内力叫做应力。如内力是均匀分布的，则应力等于截面上的内力除以截面面积。应力的基本形式有：拉应力、压应力和剪应力。拉伸应力是抵抗试图拉断物体的应力。压缩应力是抵抗压力的应力。扭矩是产生扭转变形的应力。剪切应力是抵抗力图引起材料某一层与相邻一层产生相对错动之力的应力。弯曲应力是压缩应力和拉伸应力的组合。当杆件受到弯曲作用时，弯曲的内侧面缩短（压缩），而弯曲的外侧面拉长（拉伸）。（1）正应力和正应变正应力是拉应力和压应力的统称。正应力是垂直于所取截面的应力，即应力矢量沿截面的法向方向，用σ表示。正（负）应力矢量方向由截面（外）指向外（截面），代表的是拉（压）应力，用＋（-）σ表示，拉（压）应力是构件材料分子之间反抗被拉伸（压缩）而产生的应力。单位都是N/m2（Pa）。※对应正应力的应变称为正应变，用ε表示。正应变是结构件在拉伸（或压缩）变形中产生的伸长量（或压缩量）ΔL和结构件原来长度L之比：ε=ΔL/L，也就是单位长度的伸长（或压缩）量。（∑σ西格玛、ε伊普希龙）2（2）剪应力和剪应变剪应力是平行于所取截面应力，即应力的矢量沿截面的切向方向，用τ表示。剪应力是构件材料分子之间反抗被剪切错动而产生的应力，它的单位也是N/m2（Pa）。对应剪应力的应变称为剪应变，用γ表示。剪应变是两个剪切面在剪切变形中产生的错动量Δs和两剪切面距离h之比：γ=Δs/h，也就是两个剪切面互相错动的角度。nn（合力）（合力）FFγ宇普西龙4.剪力和弯矩使结构件两个相距很近的截面发生相对移动错动的变形叫剪切变形，反抗剪切变形的内力叫剪力，用Q表示。使结构件轴线曲率发生变化的变形叫弯曲变形，反抗弯曲变形的内力叫弯矩，用M表示。飞机结构在承受载荷过程中，发生剪切、弯曲变形，承受剪力和弯矩的部件很多。如：飞机结构紧固件螺栓、铆钉和焊缝在载荷作用下发生的剪切变形；机翼在载荷作用下发生的弯曲变形。5.扭矩使结构件两个相距很近的截面发生相对转动错开的变形叫扭转变形，反抗扭转变形的内力叫扭矩，用M扭表示。在飞机结构承受载荷过程中，发生扭转变形，承受扭矩作用的部件也很多，如：在起落架垂直载荷、水平载荷作用下，机翼截面承受的扭矩；在垂直尾翼气动力的作用下，后机身截面承受的扭矩。mmOBA1.1.4飞机结构基本元件、结构件及受力特点1.结构基本元件及受力特点（1）杆件与横截面尺寸相比较长度尺寸比较大的元件称为杆件。如：起落架受力构架中的撑杆、阻力杆、机翼机身的桁条、翼梁的缘条和腹板上的支柱等都属于杆件。这类元件承受的载荷主要是沿杆件轴线作用的力，并在力的作用下产生拉伸或压缩变形和拉应力或压应力。（2）梁元件飞机结构中的梁元件基本上有两种类型：一种梁元件的外形与杆件相似，但它具有比较强的弯曲或扭转强度，可以承受垂直梁轴线方向载荷的作用。起落架减震支柱就是这类元件。在载荷的作用下，梁元件会产生剪切弯曲和扭转变形，同时产生剪应力、弯曲正应力和扭转剪应力。•另一种梁元件是由上下缘条和腹板组成的，具有比较强的剪切弯曲强度，承受腹板平面内载荷的作用，产生剪切和弯曲变形。梁缘条承受弯曲产生的拉压正应力的作用，腹板则承受剪切产生的剪应力的作用。缘条和腹板组成的机翼大梁、翼肋就属于这种梁元件。（3）板件厚度远小于平面内另外两个尺寸的元件称为板件。飞机结构中蒙皮、翼梁和翼肋的腹板等都属于板件。•板件承受扳平面内分布载荷的能力较强，厚度比较小的薄板承受拉压的能力比较弱，但承受剪切的能力比较强，在载荷作用下只承受剪应力a；厚度比较大的板件，承受拉压和剪切的能力都比较强，在载荷作用下，承受正应力和剪应力b。正应力σ，剪应力τ•在局部的气动载荷作用下，飞机蒙皮也要承受垂直版平面的分布气动载荷的作用，此时，蒙皮会产生拉应力（对较薄、曲率较大的蒙皮）或剪切弯曲应力（对较厚、曲率较小的蒙皮）下图。分布的气动载荷并不是蒙皮承受的主要载荷，如果由于飞机速度过快，蒙皮上的分布气动载荷过大，也会造成蒙皮与桁条连接的铆钉被拉坏、蒙皮被撕裂等局部破坏现象的发生。2.飞机结构件及受力特点（1）杆系结构由杆件和梁元件组成的结构称为杆系结构。起落架受力构架就是由杆件和梁元件组成的杆系结构。发动机吊挂、操纵面的安装支架等都属于杆系结构。在杆系结构中，杆件和梁元件分别保持原有的受力特点：杆件承受沿着杆件轴线的载荷的作用，产生正应力；梁元件承受剪切、弯曲和扭转载荷的作用，产生剪应力、弯曲正应力和扭转剪应力。（2）平面薄壁结构平面薄壁结构是由同一平面内的杆件和板件组成的结构。用缘条和腹板组成的机翼大梁和翼肋图27、机身的隔框图28等都属于这类结构。平面薄壁结构主要承受结构平面内载荷的作用。结构中的杆件和板件仍保持原有的受力特点：载荷在杆件内产生正应力，在板件中产生剪应力。（图27）机翼大梁承受大梁平面内剪力和弯矩的作用，弯矩在杆件--梁缘条内产生拉压应力；剪力在板件--大梁腹板内产生剪应力。（3）空间薄壁结构空间薄壁结构是由不在同一平面内的杆件和板件组成的空间结构。机翼、机身和尾翼等都属于这类结构。在载荷作用下，机翼和机身就像互相支持的悬臂梁，载荷在结构中引起变形--剪切、弯曲和扭转，并产生内力--剪力、弯矩和扭矩。•在载荷作用下，空间薄壁结构中的板件和杆件也都保持原有的受力特点：板件承受板平面内的正应力和剪应力的作用，杆件只承受正应力的作用。•从图32看到组成机翼的各个元件--蒙皮、桁条、大梁缘条和腹板在承受剪力、弯矩和扭矩时所起的作用。•图33为后机身在垂直尾翼侧向载荷作用下，结构发生剪切、弯曲和扭转变形，承受剪力、弯矩和扭转的作用。1.1.5飞机结构疲劳设计飞行中飞机结构承受的载荷不仅具有静载荷的特点，还具有随时间变化的疲劳载荷的特点。如：飞机