飞机结构设计(第1章 绪论)2014要点
空间飞行器总体设计
第一章—绪论1.各国独立发射首颗卫星时间。
表格 1 各国独立发射首颗卫星时间表2.航天器的分类？答：航天器按是否载人可分为无人航天器和载人航天器两大类。
其中，无人航天人按是否环绕地球运行又分为人造地球卫星和空间探测器两大类；载人航天器可以分为载人飞船、空间站和航天飞机。
3.什么是航天器设计？答：航天器设计就是要解决每一个环节的具体设计，其中主要的几个关键内容为：航天任务分析与轨道设计、航天器构形设计、服务与支持分系统的具体设计。
4.画图说明航天器系统设计的层次关系并简述各组成部分的作用。
答：图 1 航天器系统设计的层次关系图(1).有效载荷分系统：航天器上直接完成特定任务的仪器、设备和核心部分；(2).航天器结构平台：整个航天器的结构体(3).服务和支持系统：有效载荷正常工作的必要条件。
①结构分系统：提供其他系统的安装空间；满足各设备安装方位，精度要求；确保设备安全；满足刚度，强度，热防护要求，确保完整性；提供其他特定功能②电源分系统：向航天器各系统供电③测控与通信系统：对航天器进行跟踪，测轨，定位，遥控，通信；④热控系统：对内外能量管理和控制，实现航天器上废热朝外部空间的排散，满足在飞行各阶段，星船各阶段、仪器设备、舱内壁及结构所要求的温度条件；⑤姿态与轨道控制系统：姿态控制--姿态稳定，姿态机动；轨道控制--用于保持或改变航天器的运行轨道，包括轨道确定（导航）和轨道控制（制导）两方面，使航天器遵循正确的航线飞行。
、⑥推进系统：向地球静轨道转移时的近地点与远地点点火；低轨道转移时，低轨到高轨的提升与离轨再入控制；星际航行向第二宇宙速度的加速过程；在轨运行⑦数据管理系统：将航天器遥控管理等综合在微机系统中⑧环境控制与生命保障：维持密闭舱内大气环境，保证航天员生命安全5.航天器的特点及其设计的特点？答：航天器的特点有5个，(1).系统整体性；(2).系统层次性；(3).航天器经受的环境条件：运载器环境、外层空间环境、返回环境；(4).航天器的高度自动化性质；(5).航天器长寿面高可靠性。
第一章 飞机机身结构知识点
机身结构1 机身的结构类型1)构架式机身隔框立柱图1.225构架式机身2)半硬壳式机身(2)桁条式机身。
ill'亦质慕皮(1)桁梁式机身。
图1.226桁梁式机身2 机身主要构件机身主要部件包括蒙皮、桁条、桁梁和隔框。
1) 蒙皮机身蒙皮的作用与机翼蒙皮的作用一样，用来维持机身外形；同时蒙皮与支撑它的构件一起承受和传递局部气动载荷和弯矩。
2) 桁条和桁梁桁条和桁梁都是机身结构的纵向构件 3) 龙骨梁龙骨梁是机身的一个主要纵向部件，它由上、下两个受压的弦杆和一个带有加强筋的承剪腹板结构件组成。
龙骨梁位于中央翼下方、两主轮舱之间的机身中心线上，如图1.229所示。
3)硬壳式机身桁条式机身结构图1.227 ■罐皮隔梃-图1.228硬壳式机身阻力揑杆连播到孙梁中删严捲头/也机纵轴缄惦流也皮茧捽框一龙骨陀支傑枇一刖图1.229机身龙骨梁4)隔框机身隔框可分为普通隔框和加强隔框两种。
(1)普通隔框。
(a)(b)图1.230普通隔框(2)加强隔框。
图1.231壁板板式加强隔框5)机身上骨架元件与蒙皮的连接机身蒙皮同骨架元件的连接有两种方式：第一种：蒙皮只与桁条相连，如图1.232(a)所示；第二种，蒙皮既与框相连，又与桁条相连，如图1.232(b)所示。
(a)⑹(c)图1.232蒙皮与骨架元件的连接方式1—蒙皮；2—桁条；3—框；4—补偿片(a)(b)图1.233框与桁条的连接1—蒙皮；2—桁条；3—框；4—弯边；5—角片3 增压密封现代飞机大都在空气稀薄的高空中飞行，为了保证空勤人员和旅客在高空飞行时的正常工作条件和生理要求，以及保证仪表、设备可靠地工作，都采用了增压气密座舱。
图1.234所示为波音B737飞机的增压气密座舱区域。
STA｛站位)^TA17K1016ISTAS'fASTASTASiA227.S294.5540663727匚二|增压区墜非增压区图1.234B737飞机增压区增压气密舱内需要密封的地方有：各骨架构件与蒙皮的对接处(铆接和螺栓连接);蒙皮与壁板之间；飞机和发动机操纵系统的拉杆和钢索在座舱内增压区和非增压区交界面的进出口处；飞机液压系统、引气系统、空调系统的导管、电缆束进出口；座舱盖口和应急出口；舱口和窗口等。
第一章 飞机结构
第一章- 飞机结构摘要：飞机结构是第一章，主要讲述了飞机的机身，机翼，尾翼，起落架，和发动机这几个主要结构部分。
根据美国联邦法规全书(CFR)第14篇第一部分的定义和缩写，飞行器(Aircraft)是一种用于或者可用于飞行的设备。
飞行员执照的飞行器分类包括飞机(Airplane)，直升机，气球类(lighter-than-air)，动力升力类(powered-lift)，以及滑翔机。
还定义了飞机(Airplane)是由引擎驱动的，比空气重的固定翼飞行器，在飞行中由作用于机翼上的空气动态反作用力支持。
本章简单介绍飞机和它的主要组成部分。
主要组成部分尽管飞机可以设计用于很多不同的目的，大多数还是有相同的主要结构。
它的总体特性大部分由最初的设计目标确定。
大部分飞机结构包含机身，机翼，尾翼，起落架和发动机。
机身机身包含驾驶舱和/或客舱，其中有供乘客使用的坐位和飞机的控制装置。
另外，机身可能也提供货舱和其他主要飞机部件的挂载点。
一些飞行器使用开放的桁架结构。
桁架型机身用钢或者铝质管子构造。
通过把这些管子焊接成一系列三角形来获得强度和刚性，成为桁架结构。
图1-2就是华伦桁架。
华伦桁架结构中有纵梁，斜管子和竖直的管子单元。
为降低重量，小飞机一般使用铝合金管子，可能是用螺钉或者铆钉通过连接件铆成一个整体。
随着技术进步，飞行器设计人员开始把桁架单元弄成流线型的飞机以改进性能。
在最初使用布料织物来实现的，最终让位于轻金属比如铝。
在某些情况下，外壳可以支持所有或者一主要部分的飞行载荷。
大多数现代飞机使用称为单体横造或者半单体构造的加强型外壳结构。
单体横造设计使用加强的外壳来支持几乎全部的载荷。
这种结构非常结识，但是表面不能有凹痕或者变形。
这种特性可以很容易的通过一个铝的饮料罐来演示。
你可以对饮料罐的两头施加相当的力量管子不受什么损坏。
然而，如果罐壁上只有一点凹痕，那么这个罐子就很容易的被扭曲变形。
实际的单体造型结构主要由外壳，隔框，防水壁组成。
第一章飞机结构
单块式机翼：梁弱，多长 桁、厚蒙皮
• 由蒙皮、桁条和缘条组 成一整块构件。现代飞 机多采用单块式机翼。
桁条
蒙皮
纵向元件有翼梁、长桁、墙(腹板) 横向元件有翼肋(普通翼肋和加强翼肋) 以及包在纵、横元件组成的骨架外面的蒙皮
一、蒙皮：蒙皮的直接功用是形成流线型的机翼外表面。 蒙皮受到垂直于其表面的局部气动载荷；
蒙皮还参与机翼的总体受力—— 它和翼梁或翼墙的腹板组合在一起， 形成封闭的盒式薄壁梁承受机翼的扭矩
飞
机
结
构航 空
工 程 学
孟 令
院兵
第0章 授课计划
授课内容 第一章 飞机结构 第二章 重量与平衡 第三章 液压系统 第四章 起落架系统 第五章 飞机飞行操纵系统 第六章 座舱环境控制系统 第七章 防水排雨系统 第八章 飞机燃油系统 第九章 飞机防火系统 第十章 飞机电子系统
课时 12 8 8 8 6 6 4 4 4 4
• 加强翼肋：除具有普通翼肋的功用 外，还作为机翼结构的局部加强件， 承受较大的集中载荷或悬挂部件。
翼肋RIB
形成并维持翼剖面之形状；并将纵向骨架与蒙皮连成一体； 把由蒙皮和桁条传来的空气动力载荷传递给翼梁。
68
蒙皮
• 承受空气动力，形成和维持机翼外形，并承受扭矩，有 些机翼蒙皮还承受弯矩。
接头
• 特点：蒙皮较厚；桁条 较多而且较强；弯曲引 起的轴向力由蒙皮、桁 条和缘条组成的整体壁 板承受。
• 优点：能较好的保持翼 形；抗弯、扭刚度较大； 受力构件分散；
飞机结构设计.
图1.1 飞机研制的一般过程
1. 概念性设计阶段
根据设计要求，全面构思，形成粗略的断 语飞机设计的基本概念，并草拟一个 或几个能满足设计要求的初步设计方案
工作内容：
初步选定飞机的形式，进行气动外形布局 初步选择飞机的基本参数 选定发动机和主要的机载设备 初步选择各主要部件的主要几何参数 粗略绘制飞机的三面草图 初步考虑飞机的总体布置方案，初步的性能估算， 检查是否符合飞机设计所要求的性能指标 方案要具有足够的先进性且实际可行 花钱和耗时不多，但非常重要
寿命――飞机结构中的主要受力构件。如： 主梁、下壁板、接头、气密舱 热强度――高温处，如：后机身、尾喷 口、 激波产生处 破损安全结构――重要部件设计成多路传力 结构，如：中翼受力盒段 缓慢裂纹扩展结构――不可检处按安全寿命 设计
1.2.3 结构的使用条件
气象条件（温度和湿度）、介质条件（海 水、水汽等）； 机场条件（主要是跑道品质）； 维修条件（周期、次数、速度、能力）。
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 。
飞机结构设计具体内容
飞机部件的结构打样设计（初步设计） 零构件设计 部件的结构图纸
飞机部件
设计师素质
设计师的第一要务是彻底熟悉飞机设计所 依据的规则; 其次，设计师应熟悉每一代飞机的型号。
飞行器结构动力学_第1章_2014版 [兼容模式]
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– 第四章：连续系统
• 杆的振动 轴的振动 • 梁的振动 薄板振动
– 第五章：结构动力学建模
• 有限元模型建立（第6章） • 结构模态分析（第7章）
第1章 概 论
第1章 概 论
现代有限元分析——结果
第1章 概 论
实验手段
地面静力实验
第1章 概 论
地面振动实验（Ground Vibration Test，GVT）
• 确保边界条件 • 激励方式
第1章 概 论
• 传感器布置 • 信号处理
F-16 GVT悬吊
第1章 概 论
风洞实验——颤振
第1章 概 论
NASA兰利
第1章 概 论
结构动力学建模（2）
• 原则 – 保持原有系统的动力学特性（或近似） – 必须和观察到的实际模型尽可能相似
• 初步设计阶段可采用一定简化，详细设计阶段 尽可能细化
• 方法 – 1.集中参数描述的离散系统 – 2.分布参数描述 – 3.两种方法的混合
• 例子： – 导弹在空中飞行；飞机在空中飞行
• 量子场理论（quantum field theory，QFT）：具有很多自由度的量子一级
的问题 第1章 概 论
背景知识（续）
牛顿
• 牛顿三定律
– 奠定了经典力学基础 • 《自然哲学的数学原理》
– 对第2、3定律给出了合理的科学和数学描述 – 阐述了动量守恒和角动量守恒原理 • 万有引力定律 – 最先给出引力的科学、准确的表达式 • 牛顿运动定律和万有引力定律 – 对经典力学进行了最完整和最准确的描述 – 适用于日常物体和天体 • 发明了微积分 – 莱布尼茨发明了现在常用的求导和积分符号
第一章 飞机结构概论【飞机结构】
3、机动飞行包线 根据空气动力学原理，在一定的飞行速度下，
各种飞机的最大使用过载ny,ser,max ，主要是 由飞机的机动飞行能力，飞行员生理上的限制，以 及 素在确大型飞 定运行 的输中 。机因：气+3流～4不稳定而可能受到的外载荷等因
－1.5～2.5
２、飞机的最大允许速压
速压：q
V2
2
飞机平飞时，可以根
据飞机在不同高度时的需 用推力和发动机的可用推 力之间的关系，确定出各 个高度上的最大平飞速度 vH,max。
飞机结构设计的主要指标之一；
飞机在y轴方向的过载ny等于飞飞机机结升构强力度Y的与主要飞取机决因重素量G 飞的机本比身值的轴，，并非空间绝对轴
飞机在x轴方向的过载nx等于发动机推力与飞机阻力
３、过载的大小
飞机的重心过载大小取决于飞行时升力的大小 和方平向飞。过载的正负号与升力的正负号一致。
Y
ny 垂直机
突风的方向向上时，升力增量为正；突风的方向向下时，升力增量为负。
二、飞机的过载 （一）飞机重心的过载 １、过载的基本概念
飞机在某一飞行状态下所受的除重力以外的外 载荷同飞机重量做比较，称为过载（载荷因数）。
２、过载的定义 作用在飞机的某方向的除重力之外的外载荷与
飞机重量的比值，称为该方向的飞机重心过载，用 ｎ表示。
（二）飞机各部位的局部过载
飞机的局部过载沿飞机长度是按直线规律变化
的
εz
当飞机绕重心有一个抬头的角加速度 时，
第二讲飞机结构设计思想和方法
第二讲飞机结构设计思想和方法飞机结构设计是指在航空工程领域中，按照一定的设计思想和方法，设计出满足飞机设计要求的结构。
飞机结构设计的过程包括结构布局设计、载荷分析、结构材料选用、结构参数设计、结构优化等阶段。
本文将介绍飞机结构设计的基本思想和常用方法。
飞机结构设计的基本思想是在满足强度、刚度、稳定性等安全性要求的基础上，尽可能减少结构重量，提高飞机的性能和经济性。
为了实现这一目标，飞机结构设计需要综合考虑以下几个方面的因素：1.载荷特性：对于不同类型的飞机，其载荷特性会有所不同，例如商用飞机主要受到飞行载荷和地面载荷的作用，军用飞机还会承受额外的战斗载荷。
在设计中需要根据实际情况合理选择载荷、确定载荷分布和载荷时程。
2.结构材料：飞机结构设计需要选择合适的材料来满足强度、刚度和轻量化的要求。
常用的材料包括金属材料（如铝合金、钛合金）、复合材料（如复合纤维增强塑料、复合层板）等。
选择合理的材料能够提高结构的强度，降低结构重量。
3.结构参数设计：飞机结构设计需要确定结构的几何形状和尺寸。
对于主要受力构件，需要合理选择断面形状和尺寸来满足设计要求；对于非受力构件，需要考虑其功能和集成性，设计合理的连接方式和安装方式。
4.结构优化：飞机结构设计中常采用结构优化方法，通过数值模拟和分析的手段，优化设计参数以达到最优的结构性能。
常用的结构优化方法有拓扑优化、尺寸优化、材料优化等。
结构优化可以提高结构的强度、刚度和轻量化水平。
常用的飞机结构设计方法包括经验设计法、传统设计法和计算机辅助设计法。
1.经验设计法：通过以往的经验和实际应用中的成功案例，总结出一些经验法则和设计准则，作为设计的基础。
这种方法具有简单、快捷的特点，但在设计创新性和设计效果上有一定局限性。
2.传统设计法：传统设计法采用一些经典的设计方法和理论，在满足结构强度、刚度和稳定性要求的前提下，通过手工计算和分析，给出结构的几何形状和尺寸。
这种方法需要设计师具备较强的数学和力学知识，设计过程相对繁琐，但能够提供较为可靠的设计结果。
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第一章 绪 论
④ 新机研制中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）批量生产
第一章 绪 论
1.2 飞机结构设计的原始条件和设计简介
一、“结构” 与机构设计的含义：
“结构” —能承受和传递载荷的系统—即：受力结构
第一章 绪 论
1）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。
第一章 绪 论
军机的技、战术要求（例）
J10 战机
最大起飞重量：19277 Kg 最大载弹量：7000 Kg 最大飞行速度：2.0Ma 最大使用过载：7G（持续）/
飞机结构设计
主讲教师：赵刚要
飞机结构设计
一、授课课时安排
授课内容
第一章、绪 论 第二章、飞机的外载荷 第三章、现代飞机设计基础 第四章、机翼、尾翼设计 第五章、机身结构设计
课时
4 6 10 12 8
2
第一章 绪 论 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
效能分析、 费效分析
第一章 绪 论
2.飞机设计过程 (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。
第一章 绪 论
结构设计的任务：
10G瞬时 作战半径：1600Km
最大航程：3000Km
最大升限：18000m
第一章 绪 论
军机的技、战术要求（例）
最大起飞重量：27216 Kg
最大载弹量：7000 Kg
最大飞行速度：1.8Ma
超音速巡航：1.5Ma
F22 战机
最大使用过载：9G（眼镜蛇 机动）
作战半径：2170Km
实用升限：18000m
① 创造性的思维过程； ② 全面综合的辨证过程(矛盾分析、抓主要矛 盾) 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。
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。
第一章 绪 论
2）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。
最大起飞重量：560000 Kg
最大载量：90800 Kg
巡航速度：0.89Ma
升限：13100m
A380
最大航程：15100Km
大型、超音速、大航程
第一章 绪 论
3、飞机工作的最大特性：
反复、长期使用。
第一章 绪 论
代 表： F-4和Mig21
F4
Mig15 Mig21
第一章 绪 论
飞机的发展历程：
第三代：高亚音速或低
超音速范围，
武器和电子设
备较简单
F-16
代 表： F-16和Mig29ol
Mig29
J-10
J-11
第一章 绪 论
第四代： ① 发动机在不开加
力时具有超音速 巡航的能力； ② 良好的隐身性能； ③ 高敏捷性和机动 性特别是过失速 机动能力； ④ 短距起落性能； ⑤ 目视格斗、超视 距攻击和对地攻 击的能力； ⑥ 高可靠性和维护 性；
型号设计技术要求
飞机三面图
总体布置图 外形图
＋ 结构设计基本要求
规定的
环境情况 使用方法
载荷情况
第一章 绪 论
合乎使用要求
强度、刚度、疲劳、 损伤容限品质合格 工艺性好 满足重量
机体结构
为试制和批生产提供全套的图样和技术文件
应当注意设计阶段的规律：
反复、循环、迭代、反馈；综合性、权衡性
第一章 绪 论
由几个到几十个零件结合在一起构成 相互之间没有相对运动 能承受指定的外载荷 一定的强度、刚度、寿命、可靠性等
第一章 绪 论
二、飞机结构设计的原始条件
（1）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
隐身技术、超音速巡航、过失速机动、推 力矢量控制、近距离起落和良好的维修性
第一章 绪 论
军用运输机的技、战术要求（例）
C-17 空中霸王
最大起飞重量：265352 Kg 最大载量：77292 Kg 巡航速度：0.77Ma（8535m） 低空巡航速度：648Km/h 最大航程：4630Km
大型、隐身技术、超音速
3. 飞机制造过程
设计图纸 技术资料
工艺设计
机械加工
部件/全机装配
0批次
2~4架
全机强度、疲劳和损伤容限的验证和试飞
第一章 绪 论
4. 飞机的试飞、定型过程
地面滑跑试验；起、降性能试验； 飞行包线中各飞行科目试飞试验；
定型： 有待结构的静力及疲劳试验完成后， 没问题才定型
第一章 绪 论
三、飞机研制过程概述 1、设计的内涵：
3
第一章 绪 论
1909年冯如
第一章 绪 论
第一章 绪 论
飞机的发展历程： 1903莱特兄弟 制造的飞机
二战以前：活塞发动机 特性：高度、速度、机
动、火力
第一章 绪 论
飞机的发展历程：
第一代：高亚音速或低 超音速范围， 武器和电子设 备较简单
代 表： F-86和Mig15
F-86
第二代：飞机的武器和 电子设备有所 加强
二、飞机的研制过程
4个阶段
① 技术性能论证与制定过程
总体设计
② 飞机设计过程
初步设计
结构设计
③ 飞机制造过程
详细设计
④ 飞机的试飞、定型过程
第一章 绪 论
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； 主要使用条件； 机载设备等。
代 表： F-22
F22 J20 T50
F35 J31
F119
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）
2.要求：技、战术性能指标能满足所需完成的任务。