飞机结构设计第2章飞机的外载荷
[交通运输]第2章 飞机的外载荷
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过载系数的实用意义
知道了过载系数ny→P=ny﹒G（CG处）
→各点Psj，Psj=ny﹒Gj 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 ny可由过载表测量获得
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ny max 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
图2.4 飞行员承 受过载的能力与 过载方向和时Байду номын сангаас 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
综合考虑这些因素，飞机设计中一般选取： 一类飞机：如歼击机、强击机，ny=-3~9 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=-2~4 三类飞机：不作机动飞行的飞机：如战 略轰炸机、运输机，ny=-1~3
V2 cos gR
2
V2 θ =0° n y 1 gR 8.865
如限制ny≤8，则
V2 1 8 gR
V2 R 1123 .64m 7g
例：飞机以过载ny=-3作曲线飞行，同时使飞机重 心以角加速度αz=3.92rad/s2转动，转动方向如图所 示。若发动机重量GE=1000kg，其重心到全机重心 距离L=3m，发动机绕本身重心的质量惯性矩 Izo=120kg∙s2∙m，求：
V2 n y cos gR
当=0时,ny→max,
nmax
飞机结构—第二章 飞机的外载荷与设计规范
（二）典型飞行姿态的载荷系数
4.俯冲后拉起
Y V2 ny cos G gr 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
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。
解：
2 2 V V n cos cos 45 0 y gr 9 . 81 1000
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
（一）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。
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
（一）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。
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2章 飞机载荷
二、飞机过载和过载系数
飞机到达飞行轨迹的最低位置时， 此时，飞机的过载为
2
v ny 1 gr
飞机俯冲拉起时，升力可能大大的超过飞机的重力。飞 机机动动作越剧烈，升力大于重力越多，飞机受力越严 重，机翼翼根部位承受载荷越大。
二、飞机过载和过载系数
水平平面内机动飞行情况下飞机的过载
作水平转弯。 水平方向：升力水平分量=惯性离心力 垂直方向：升力垂直分量=重力
习
题
5.飞机水平转弯时的过载：_____。 A:与转弯半径有关。 B:与转弯速度有关。 C:随转弯坡度增大而减小。 D:随转弯坡度增大而增大。
6.n设计和n使用的实际意义分别是：_____。 A:表明飞机结构承载能力与飞机飞行中的受载限制。 B:表明飞机结构受载能力与飞机飞行中的实际受载大小。 C:表明飞机结构承载余量与飞机飞行中的实际受载大小。 D:表明飞机飞行中的受载能力与飞机结构的实际受载大小。
空间盒式结构
周缘封闭的薄壁梁
三、载荷分类及构件变形
习
题
1.飞机载荷是指：_____。 A:升力。 B:重力和气动力。 C:地面支持力。D:飞机运营时受到的所有外力。
2.飞机在水平面内作等速圆周运动，所受外力为：_____。 A:升力、重力、推力、阻力、向心力。 B:升力、重力、推力、阻力不平衡，合力提供向心力。 C:所受升力随坡度增大而增大。 D:B和C都对。
习
题
8.哪个方向的突风对机体影响最大：_____。 A:水平突风。 B:垂直突风。 C:侧向突风。 9.飞机结构中的空间薄壁结构可以承受何种载荷：_____。 A:集中力。 B:分布力。 C:剪力。 D:空间任意方向力。 10.飞机结构中薄板类构件可以承受的载荷为：_____。 A:集中力。 B:分布力。 C:板平面内的分布力。
飞机机翼载荷计算
飞机机翼载荷计算简介本文档旨在介绍飞机机翼载荷计算的方法和步骤。
载荷计算是飞机设计过程中的重要环节，它能确保机翼在不同飞行阶段和条件下的安全运行。
载荷种类飞机机翼所承受的载荷主要包括以下几种：1. 静载荷：包括重力、惯性力等。
2. 动载荷：主要指在飞行过程中由于气流或风荷载导致的荷载。
3. 疲劳载荷：由于不断的飞行循环，机翼会受到循环荷载的作用。
载荷计算方法飞机机翼载荷的计算通常分为以下几个步骤：1. 飞机重量计算：首先需要计算飞机的重量，包括空机重量、燃油重量、载客及货物重量等。
2. 集中载荷计算：根据飞机设计要求和运营需求，确定机翼所受的集中载荷，如起落架重量、引擎重量等。
3. 分布载荷计算：根据飞行阶段和条件，计算机翼所受的不同位置的分布载荷，如气流力、风荷载等。
4. 结构载荷计算：根据机翼结构设计要求，计算机翼所受的结构载荷，如弯曲力、剪切力等。
5. 疲劳载荷计算：根据机翼使用寿命和循环次数要求，计算机翼所受的疲劳载荷。
注意事项在进行机翼载荷计算时，需要注意以下几点：- 计算所使用的载荷数据应为可靠的数据，不能引用无法确认的内容。
- 选择适当的计算方法和模型，确保计算精度和可靠性。
- 定期检查和评估机翼的结构状态，防止疲劳破坏和结构失效。
- 遵循相关的飞机设计规范和法规要求，确保机翼的安全性和合规性。
结论飞机机翼载荷计算是飞机设计中的重要环节，它能保证机翼在不同飞行条件下的安全运行。
通过合理选择计算方法和模型，并注意相关的注意事项，可以确保机翼承受的载荷在安全范围内。
飞机载荷和机体结构
1.平飞 飞机对称等速水平直线飞行
∑Fx=0 ∑Fy=0 P=X Y=G
Z＝0 ∑M=0
§1-1 飞机飞行载荷与过载
航空器系统与动力装置
1.1.1 几种典型飞行状态载荷
2.垂直平面内曲线飞行
G v2 man = = Y − G cos θ g R
Gv Y = G cos θ + g R
2
§1-1 飞机飞行载荷与过载
Cy－升力系数 Cx－阻力系数
阻力 侧向力
1 2 X = Cx × ρ v × S 2 1 2 Z = Cz × ρ v × S 2
Cz－侧力系数
航空器系统与动力装置
§1-1 飞机飞行载荷与过载
1.1 飞机载荷与载荷系数 升力系数曲线
§1-1 飞机飞行载荷与过载
航空器系统与动力装置
1.1.1 几种典型飞行状态载荷
§1-1 飞机飞行载荷与过载 航空器系统与动力装置
1.1.3 载荷、变形、应力、强度和刚度
4.强度和刚度
强度（structure strength）：结构抵抗破坏的能力。 刚度（structure rigidity）：结构抵抗变形的能力。 结构强度和结构刚度是衡量飞机结构承载能力大 小的基本标志。
1.1.2 飞机载荷系数
3.限制载荷系数、极限载荷系数 极限载荷系数n极限:
设计、审定飞机时规定的最大载荷系数，又称设 计载荷系数n设计。
限制载荷系数n限制:
正常飞行中允许使用的最大载荷系数。又称使用 载荷系数n使用
使用限制：n ≤ n使用 < n设计
§1-1 飞机飞行载荷与过载
航空器系统与动力装置
§1-1 飞机飞行载荷与过载
航空器系统与动力装置
飞机结构设计
飞机结构设计•相关推荐飞机结构设计飞机结构设计南京航空航天大学飞机设计技术研究所2005.9一、本课程的特点注重基础理论概念的实用化、感性化以及工程化注重综合运用知识概念权衡复杂问题分析，抓住主要矛盾寻找解决问题途径的基本设计理念大量工程结构实例的剖析注重培养自行分析、动手设计的主观能力以及工程实用化的实践能力具体要求：注意定性分析，要求概念清楚；实践性强，要求常去机库观察实物；理性推理较差，要求认真上课。
二、基本内容和基本要求内容：飞机的外载荷；飞机结构分析与设计基础不同类型飞机结构的分析；飞机结构的传力分析；飞机结构主要元构件设计原则；内容要求：①掌握飞机结构分析和设计的基本手段——传力分析；②能够正确解释飞机结构元件的布置；③能够正确地分析和设计飞机结构的主要元件。
第1章绪论飞机结构设计将飞机构思变为飞机的技术过程；成功的结构设计离不开科学性与创造性；结构设计有其自身的原理和规律，不存在唯一正确答案，需要不断的探索和完善。
1.1 飞机结构设计在飞机设计中的位置飞机功用及技术要求空-空：军用空-地：截击、强击、轰炸. 战术技术要求运输：客运民用货运使用技术要求运动，……技术要求技术要求：Vmax，升限，航程/作战半径，起飞着陆距离，载重/起飞重量，机动性指标（加速，最小盘旋，爬升），使用寿命；非定量要求：全天候，机场要求，维护要求；趋势：V ，Hmax ，载重，航程；苏-30阵风F－117第四代战斗机(俄罗斯称之为第五代战斗机)更着重强调同时具备隐身技术、超音速巡航、过失速机动和推力矢量控制、近距起落和良好的维修性等性能。
由于各种飞机的用途和设计要求不同，会带来飞机气动布局和结构设计上的差别；飞机设计的基本概念、设计原理和设计方法是一致的；本课程将对典型结构型式进行分析的基础上，将主要介绍飞机设计的基本概念、设计原理和方法。
1.1.1飞机研制过程技术要求飞机设计过程飞机制造过程试飞定型1．拟订技术要求通常可由飞机设计单位和订货单位协商后共同拟订出新飞机的战术技术要求或使用技术要求。
第三讲飞机的外载荷和设计情况
24
飞机转动时的过载
如果 i 点处物体的重力为Gi ，则质量力为 Gi cos +mi ai （见图38b）。 i 点处的过载 ni 为 z xi z Gi cos m i a i an ni cos ny xi Gi g g g ni 随飞机各处 xi 的不同而不同， xi 有正有负，附加力矩有一 定方向性，因而旋转惯性力及其附加的旋转过载也有正有负。 由上式可以方便地计算某一处局部的过载或外载。
图3-1
Pn
Pm
Pf
此时飞机既有平移运动，又有旋转运动，总的平衡关系为
∑Fx = 0, T - X = max = Nx ∑Fy = 0, Yw - Yt = m ( g+ ay ) = G +Ny
式中 Iz — 飞机绕Z轴的 质量惯性矩 ； z — 飞机绕Z轴的 角加速度； 其它符号见图3-1所示。
q= HV0 2 / 2
22
H uV0 u 1 S H V0 2 KC S y V0 2 2
则飞机平飞时遇突风过载ny 为
ny Y0 Y H uV0 1 KC y G 2p
式中
Cy—升力系数增量；
Cy—升力线斜率； p = G/S —翼载荷；
—迎角增量；
计的一个重要参数。设计时如能正确选取过载的极限，则
既能使飞机满足机动性要求，又能使飞机满足结构的重量 要求。 过载大小要考虑飞行员的承受能力，大过载会使飞行员出 现黑视。
19
四、进入俯冲情况 飞机在此情况下
GV2 Y G cos g r
Y V2 n y cos G gr
图3-4 进入俯冲情况
升力 Y（L） 阻力 X （D）
简述机翼外载荷的大小
简述机翼外载荷的大小机翼外载荷是指施加在飞机机翼表面的各种力和力矩。
这些外载荷的大小是设计和运行飞机的重要参数，需要合理估计和控制。
机翼外载荷主要包括飞行气动载荷、结构载荷和操纵力载荷。
飞行气动载荷飞行气动载荷是由于空气动力学效应而产生的机翼外载荷。
它主要包括升力、阻力、侧力和俯仰力矩。
升力升力是机翼支持飞机重量的主要力量。
它的大小与机翼形状、迎角、飞行速度等因素有关。
一般来说，升力随着飞行速度的增加而增加，与机翼的迎角密切相关。
阻力阻力是飞机飞行时需要克服的阻碍前进的力量。
它的大小与机翼形状、迎角、飞行速度等因素有关。
一般来说，阻力随着飞行速度的增加而增加。
侧力侧力是作用在飞机机翼侧面的力量，它的大小与飞机的横向稳定性和操纵性有关。
俯仰力矩俯仰力矩是指作用在飞机机翼上的使飞机产生俯仰运动的力矩。
它的大小与飞机的重心位置、机翼的形状和迎角等因素有关。
结构载荷结构载荷是由飞机自身重量和外部载荷施加在机翼上的载荷。
它的大小与飞机的重量、外载荷的位置和重量分布、机翼的结构强度等因素有关。
飞机自身重量飞机自身重量是指飞机的构件、设备、燃料等各部分的重量总和。
这部分载荷主要通过飞机的结构进行传递。
外部载荷外部载荷是指飞机上的货物、油料、武器装备等外部附加负载。
这部分载荷主要通过机翼进行支持和传递。
操纵力载荷操纵力载荷是由于飞行员操纵操作所施加在机翼上的载荷。
它的大小与飞行员操纵杆的力量和动作有关。
飞行员通过操纵杆控制飞机的姿态和航向。
机翼外载荷的大小估计估计机翼外载荷的大小是飞机设计和运行过程中的重要任务之一。
一般采用飞行试验、数值模拟和模型试验等方法。
飞行试验是最直接的方法，通过在真实飞行中测量机翼上的载荷，来估计机翼外载荷的大小。
数值模拟方法基于计算流体力学和结构力学的理论和方法，通过数值模拟飞机飞行过程中的气动效应和结构响应，来估计机翼外载荷的大小。
模型试验方法是通过制作飞机的缩比模型，并在气动试验台上进行模拟飞行试验，来估计机翼外载荷的大小。
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=
Y G
=
1
cos γ
如果用过载仪测出ny，也就知道γ，cosγ
=
1 ny
z 如知道V和R：
1
Y=
G2
+ N2
=
G
⋅
⎡ ⎢1 ⎣
+
V2 gR
⎤ ⎥ ⎦
2
1
ny
=
⎡ ⎢1
+
⎣
V 2 ⎤2
gR
⎥ ⎦
ny
=
Y G
=
1
cos γ
1
ny
=
⎡ ⎢1
+
⎣
V2 ⎤2
gR
⎥ ⎦
Y sin γ = N = G ⋅ V 2
2.2.1 水平面内的匀速直线飞行
图2.2 匀速水平飞行
∑Fx=0 ∑Fy=0
T=X Y=G
nx
=
T
−X G
=0
nz
=
Z G
=
0
ny
=
Y G
=1
等速平直倒飞：ny= -1
2.2.2 垂直平面内的曲线飞行
进入俯冲
∑Fx =0:
T − X + G sin θ = N x
∑Fy=0:
Y + N y − G cos θ = 0
过载系数的实用意义
知道了过载系数ny→P=ny﹒G（CG处）→ 各点Psj，Psj=ny﹒Gj
z 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
z ny可由过载表测量获得
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ny max 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
很明显，此时将产生相当大的
载荷系数。
2.2.4 最大过载ny max
ny max
= Ymax G
= cy max
ρ H Vm2ax
2
1 G/S
=
1
f
(cy max , H ,Vmax ,
) p
式中：p=G/S
Cymax 1.2
0.4 M
H
Vmax
V
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
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。
R为飞机运动轨迹的曲率半径
∴
nx
=
P cos(α + ϕ ) − X
G
= sinθ
+
1 g
dV dt
ny
=
Y
+
P sin(α
G
+ϕ)
=
cosθ
+
1 g
V2 R
2.1.2 过载与加速度的关系
n = Rf m = a Gg m
nx
=
sinθ
+
aτ g
ny
=
cosθ
+
an g
过载的物理意义：
1.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。
Θ
Ny
=
m ⋅ay
=
G g
⋅V 2 R
∴ny
=
Y G
=
−
1 g
⋅V 2 R
+ cosθ
=
cos θ
−
V2 gR
nx
=T−X G
=
Nx G
− sin θ
=
1 ⋅ ∂V g ∂t
− sin θ
俯冲后拉起
∑Fy=0 Y = Ny + G
n y = cos θ
当θ=0时,ny→max,
⋅
cosθ =
+V2 gR
面
起飞着陆时作用在前、 力
主起落架的地面反力
Pn 、 Pm
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。
n = Rf /G
n = nxi + ny j + nz k
n=
n
2 x
+
n
2 y
+
n
2 z
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
Θ 平衡方程
P cos(α + ϕ ) − X = G sinθ + maτ ; aτ = dV / dt Y + P sin(α + ϕ ) = G cosθ + man; an = V 2 / R
gR
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
1
ny
=
⎡ ⎢1 ⎣
+Байду номын сангаас
V2 gR
⎤ ⎥ ⎦
2
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）。
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.飞机的过载来源于加速度。如果飞行加速 度为0，则 n y =1。
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。
机体坐标系
速度坐标系
载荷分类
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
升力 Y（L）
阻力 X （D）
动力装置产生的推力 表
T （F）
2-气滤；3-调压器； 4-通信号灯；胶囊
n max
V2 G
gR =1+
+ G cosθ
V2 gR
垂直俯冲
nx
=T
−X G
=
− (G − N x ) G
=
Nx −G G
特例：自由坠落情况
2.2.3 水平面内的曲线飞行(正常布局)
z 如知道γ
∑Fn=0
Y sin γ = N = G ⋅ V 2
∑Fv=0
gR
Y cos γ = G
ny
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；