飞机结构设计

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第一章
绪 论
二、原始条件 1、飞机结构的外载特征以及对结构承载的要求 ① ② ③ 外载的形式(集中的、分布的、冲击型的、周期型、热的 等) ； 外载的历程特征(不同的飞行，载荷的变化规律)； 外载对结构的作用效应（抖振、颤振）；
④ 结构承载的强度、刚度( 静、动、热、整体的、局部的) 要求；
⑤ 结构寿命要求；损伤容限要求；
第一章
绪 论
本章内容
1.1 飞机的研制过程
1.2 飞机结构设计的原始条件
1.3 飞机结构设计的基本要求
1.4 飞机结构设计的现代理论与先进技术
1.5 飞机结构设计的内容与方法
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第一章
绪 论
1.1 飞机的研制过程
一、飞机的功用与对飞机的要求
1.功用：有效的战斗武器（空战、拦截、攻击、侦察、
预警、运输） 空中运输设备（载荷、运货、农林、赈灾、救护、 勘察、运动）
Vmax Vd Vcr
Vmax ---- 最大飞行速度
Vd ---- 设计速度
Vcr ( f f V f , f sVs , f a Va )
Vcr ---- 气动弹性临界速度
V f ,Vs ,Va---- 颤振速度、机翼发散速度与副翼失效速度
第一章
绪 论
• 颤振是飞机结构的自激振动，其能量来自飞行时周 围的空气。
• 发散与颤振不同，它只与结构的挠性有关，而与结 构的振动特性无关。当飞机达到某种速度时，飞机 结构便不能再支持这种载荷，于是便出现结构发散 变形，最后使结构破坏。
第一章
绪 论
• 抖振是一种由不稳定气流引起的结构动载荷。低速 抖振发生在接近失速时的大迎角，此时局部气流与 结构表面发生分离然后又附着，这会引起结构内的 一些振动。高速抖振与大马赫数速度时产生的冲击 波有关；此时局部气流在冲击波之后发生分离。在 正常飞行中，不允许出现严重的抖振，以免干扰飞 机的操纵，引起机组人员过度疲劳，或造成结构损 坏。
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⑪ 抗腐蚀要求
第一章
绪 论
二、基本要求概述（约束条件，边界条件）
1、气动外形要求
在结构设计中，与外边界相关的结构（框架结构
与蒙皮）要保证理论气动外形的刚度（整体或局部
的）以及光洁度（阻力及其他热效应），强度问题 应当是首先保证的。
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第一章
２、重量要求
绪 论
应当体会到重量设计是在满足各种结构性能指标
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第一章
绪 论
三、飞机结构设计思想的演变发展四个阶段
1、静强度设计阶段 静强度设计可追溯到18世纪伽利略时代，材料 力学是伽利略时代破坏力学思维的延伸。 上个世纪20~30年代，飞机业的发展形成了系统 的设计原则。飞机结构设计的静强度设计准则是一 种极限载荷（破坏载荷即极限承载能力）设计准则， 即：
③ 设计的不唯一性； ④ 设计的反复性； ⑤ 设计的继承性； ⑥ 设计与科学实验的关系。
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第一章
绪 论
2、飞机设计的主要阶段：
① 总体设计阶段；
② 飞机结构的打样设计：
结构受力形式选择、受力构件布置、开口布置、
分离面及其连接形式设计。
③ 飞机结构的详细设计 结构件连接设计、细节设计、工程制图。 ④ 新机研制中结构设计的一般过程（见下页）
近代飞机结构追求的目标是：
高结构效率（重量轻)、高可靠性、高寿命、高
维修性和低寿命费用，以实现高的效费比。具体讲 结构设计应贯彻下列要求：
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第一章
一、基本要求
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩
绪 论
强度、刚度要求 疲劳、耐久性要求 损伤容限要求 维修性要求 适航性要求 合理选材 工艺性要求 低成本设计要求 重量要求 防雷击要求
7）着陆滑跑距离 8）着陆距离， 六 半数发动机停车后性能要求，七，使用温度范围， 八、对螺旋桨要求，九、设备，十、救生。
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第一章
绪 论
二、飞机的研制过程
1. 技术性能论证与制定（顶层设计）过程 依据： 军事战略方针及战术（战略防御）要求； 商务策略，工、农业生产，赈灾救护等要求； 制定：
主要性能指标；
飞机结构设计
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第一章
绪 论
授课内容 课时 2 7＋ 1
第一章 绪论 第二章 飞机的外载荷与设计规范
第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 总结 合计
翼面结构和机身结构分析 飞机结构设计基础 机翼、尾翼设计 机身及开口区结构设计 飞机复合材料结构设计
16＋2 6 10 8 2 2 56
第一章
一、本课程的特点
3、飞机工作的最大特性：
反复、长期使用。
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第一章
绪 论
军用飞机的技、战术要求：
例如，对战术轰炸机提的战术技术要求包括： 一、任务，二、乘员组，三、动力装置，四、主要性能：1速 度 2升限 3巡航高度 4活动半径 5起飞着陆距离 6轮胎压力， 五、载弹量，六、设备要求，七、自卫武器。
对拦截歼击机提的战术技术要求包括：
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第一章
绪 论
设计载荷为使用载荷乘以安全系数，
破坏载荷应大于等于结构设计载荷：
P u P d
或
P d f P e
u d
Pd --- 设计载荷
Pe---
使用载荷
Pu极限载荷 ---
--- f安全系数
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第一章
绪 论
2、静、动强度设计阶段
动强度设计问题是结构（特别是薄壁结构）受到冲击干 扰后，激励振动导致的结构破坏问题（或称气动弹性问题）， 可导致翼面振动发散、操纵面反效等问题。 设计准则可表现为：
第一章
绪 论
(2) 安全寿命设计
有许多构件在使用中只经受几万到几十万次载荷 循环，或构件通常在低应力水平下工作，这样，再 用无限寿命设汁(意味着设计应力低)就不合理了。按 照有限寿命要求进行的疲劳设计，工程中称为安全 寿命设计，即所设计的构件具有足够安全的设计寿 命。当然考虑到疲劳载荷的分散性及其它因素，安 全寿命设计应当具有足够的安全储备。
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第一章
绪 论
结构设计的一般过程
① 总体研制方案论证
② 初步设计
③ 详细设计
④ 试制与试验
⑤ 试飞与设计定型
⑥ 小批生产与生产定型
⑦ 批生产
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第一章
绪 论
1.2 飞机结构设计的原始条件
一、结构设计的主要依据： ① 使用方提出的战技要求或使用—技术要求 ② 飞机三面图及理论外形图 ③ 飞机总体布置图 ④ 重量指标分配及总重量 ⑤ 使用寿命要求 ⑥ 载荷和使用环境条件 ⑦ 维修性要求 ⑧ 生产条件和工艺性要求 ⑨ 其它有关设计准则、规范和标准
2.要求：技、战术性能指标能满足所需完成的任务。
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第一章
绪 论
军用飞机的技、战术要求： 飞机的最大速度；升限；航程/最大作战半径； 起、降滑跑距离；载重；机动性指标（加力性能， 盘旋半径，爬升性能，最大允许过载系数）；隐身； 维护与保障性能；使用寿命；可靠性与安全性能。 民用飞机使用技术要求： 有效载重；航程；安全性、可靠性、维修性、经 济性。
的前提下，使重量最轻。从优化数学语言，在满足 各种性能指标约束下，使重量目标函数最小。实际 工程设计中，仅为满意解（总体设计分解到各结构 上的重量指标）
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第一章
绪 论
第一章
绪 论
３、使用维修要求
结构与系统的安全可靠工作需要定期地检修维 护来保障，良好的维修性、保障性是工程设计的主 要因素。具体来说，合理地布置分离面及各种开口， 结构内部安排必要的检查维修通道，增加结构的开 敞性和可达性。 ４、工艺要求 良好的工艺性设计是保证加工、装配合理精度 及性能的前提。
⑥ 气动弹性设计准则
⑦ 动强度设计准则
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第一章
绪 论
动载/刚度----有气动弹性要求的地方，如：操纵面、翼尖 静载/强度----飞机中所有的元件，如加强肋、接头等 静载/刚度----有变形要求的地方，如：普通肋、机翼后缘、机械操纵系统
第一章
绪 论
第一章
绪 论
1.3 飞机结构设计的基本要求
一、基本要求
主要使用条件；
机载设备等。
效能分析、 费效分析
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第一章
2.飞机设计过程
绪 论
(1) 总体设计：
气动外形布局设计；飞行力学性能设计； 机载设备（包括燃油）布置等重量分布设计； 发动机选型设计；结构总体尺寸设计。
(2)
结构设计：
理论设计（打样设计）； 强度、刚度设计； 细节设计； 工程绘图。
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第一章
• 操纵面反向——这是由于结构(如副翼与机翼组合部 位)扭转时操纵面完全失去效能，并且可能得到反效 果。
第一章
绪 论
第一章
绪 论
第一章
(1) 无限寿命设计
绪 论
疲劳设汁一般有下述几种方法： 它以无限长寿命作入疲劳设计判据，要求结构或构件的 设计应力水平低于有关的疲劳极限应力。疲劳极限应力通常 是由试验确定的。在应力――寿命(S-N)曲线上，它一般是某 规定的足够长的循环寿命(如10e7次)所对放的应力水平。 对于需要经历这样长寿命循环的零构件，例如发动机气 缸阀门弹簧，长期频繁运行的铁路车辆轮轴等，这种无限寿 命设计仍然是一种简单而合理的方法。
⑥ 经济性要求(生产/维修成本)。
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第一章
绪 论
2、飞机结构的协调关系
① 各部件的相对位置以及相互间连接交点的位置（不 能改动）；
② 零、构件之间在连接尺寸上的协调关系； ③ 各构件间或构件与内部装载间的位置、形状协调； ④ 部件或组件结构的外边界一般与飞机的理论外形相 协调； ⑤ 其内部边界可能需与某个内部装载协调，也可能不 需协调。