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1、1第第四四讲讲飞机结构分析与设计飞机结构分析与设计2补充：飞机设计规范简介1.规范的形成与演变规范的形成与演变飞机设计规范和适航条例是在飞机设计实践中逐步形成的。飞机设计规范和适航条例是在飞机设计实践中逐步形成的。军用飞机设计经历了静强度设计、刚度设计、疲劳设计、军用飞机设计经历了静强度设计、刚度设计、疲劳设计、安全寿命加损伤容限设计、耐久性加损伤容限设计等几个安全寿命加损伤容限设计、耐久性加损伤容限设计等几个阶段。与这些设计思想对应，美国军用飞机强度规范产生阶段。与这些设计思想对应，美国军用飞机强度规范产生了近了近10个版本。个版本。我国已经拥有军用飞机强度规范等文件，但不够完善。我国已经拥
2、有军用飞机强度规范等文件，但不够完善。2.2.规范规范(适航条例适航条例)的基本内容的基本内容设计情况设计情况、安全系数安全系数、载荷系数载荷系数、重量极限重量极限、重心位置、重、重心位置、重量分配、飞行载荷、量分配、飞行载荷、飞行包线飞行包线、突风载荷突风载荷、强度和变形、强度和变形、结结构试验构试验、试飞试验、使用极限、安全预防措施等等，进行飞、试飞试验、使用极限、安全预防措施等等，进行飞机设计时，必须遵守这些规定，才能保证飞机设计成功。机设计时，必须遵守这些规定，才能保证飞机设计成功。3凡是使飞机结构易遭到损坏、人员易受到损伤的凡是使飞机结构易遭到损坏、人员易受到损伤的载荷情况，就应选为
3、设计情况。一般包括：载荷情况，就应选为设计情况。一般包括：最大的正向和反向载荷情况最大的正向和反向载荷情况对主要结构件将产生危险损坏的载荷情况对主要结构件将产生危险损坏的载荷情况对飞行战斗性能将产生严重影响的载荷情况对飞行战斗性能将产生严重影响的载荷情况对人员将产生损伤的载荷情况对人员将产生损伤的载荷情况等。等。2.3飞机对称机动飞行包线飞机对称机动飞行包线42.3飞机对称机动飞行包线飞机对称机动飞行包线飞机的受载情况多种多样，不可能也无必要都加飞机的受载情况多种多样，不可能也无必要都加以分析，我们只要考虑那些对结构强度起以分析，我们只要考虑那些对结构强度起决定性决定性影响影响的设计情况。的设
4、计情况。在分析研究了飞机的全部飞行使用情况后，规范在分析研究了飞机的全部飞行使用情况后，规范给出了飞机的给出了飞机的nyq包线，即飞机的过载包线，即飞机的过载ny和速和速压压q（动压）只限于此范围内，超出则将发生危动压）只限于此范围内，超出则将发生危险，甚至造成事故。险，甚至造成事故。5飞行包线飞行包线图图3-14与飞行包线相应的与飞行包线相应的飞行状态飞行状态图图nynymaxnyminAADDC(qmaxmax)qCymaxCyminB(0.5nymax)o6由上式可得由上式可得OA和和OD限制线。限制线。在在nyq包线图包线图中中，极限过载极限过载nymax、nymin受机动性和结受机动
5、性和结构强度限制；构强度限制；qmaxmax受发动机功率和结构强度限受发动机功率和结构强度限制。制。Cymax、Cymin受受飞机的升力特性和飞机的升力特性和攻角变化范围限制。第代战斗机攻角变化范围限制。第代战斗机nynymaxnyminAADDCqmaxmaxqCymaxCyminB(0.5nymax)oGSqCnyymax因为因为飞行包线飞行包线采用了边条翼，鸭式布局大大提高了采用了边条翼，鸭式布局大大提高了Cymax，提高飞机的机动性。，提高飞机的机动性。飞机重量飞机重量G、翼载翼载P在设计之前是选定的，因此飞机的飞行范围在设计之前是选定的，因此飞机的飞行范围自应受自应受AA、AD、DD
6、线及线及Cymax、Cymin线的限制。线的限制。7包线图与飞行状态图对照包线图与飞行状态图对照nyVdl与飞机状态nyqnysyq(或或V)CyAAnymaxnymaxp/CymaxCymaxBAnymaxqmaxmax(Vdljx)nymaxp/qjx0.5BG点点B0.5nymaxqmaxmax(Vdljx)0.5nymaxp/qjxGC0qmaxmax(Vdljx)0DDnyminqmaxmax(Vdljx)nyminp/qmaxEDnyminnyminp/CyminCyminGSqCnyymax图3-14与飞行包线相应的飞行状态图8D、D情况与此相似，只是过载为负的最大，载荷反向。情
7、况与此相似，只是过载为负的最大，载荷反向。右上图是右上图是nyCy线。很明显，线。很明显，A、A、D、D均应是飞机的设均应是飞机的设计情况计情况。A、A虽然均属虽然均属nymax情况，情况，总载荷最大，数值相同，但因为总载荷最大，数值相同，但因为q不同，后者速度高，不同，后者速度高，Cy小，所小，所以两者的气动力分布不同，各结以两者的气动力分布不同，各结构元件具体的承载情况也就不同，构元件具体的承载情况也就不同，因而都要考虑。因而都要考虑。nynymaxnyminAADDCCyCymaxCyminB0.5nymaxnynymaxnyminAADDCqmaxmaxqCymaxCyminB(0.5
8、nymax)o飞行包线maxGSqCnyy9nyVdl对称机动飞行包线图对称机动飞行包线图“nyVdl对称机动飞行对称机动飞行包线”以过载系数包线”以过载系数ny为纵坐标，以当量速为纵坐标，以当量速度度Vdl为横坐标，按为横坐标，按ny、V、Cy的限制范围绘的限制范围绘制而成。制而成。根据飞行包线上每一点的两个参数，就可确定另一个参数。根据飞行包线上每一点的两个参数，就可确定另一个参数。飞行包线上各特殊点对应的飞行姿态及其特定受载情况为飞行包线上各特殊点对应的飞行姿态及其特定受载情况为对称机动飞行包线对称机动飞行包线10nyVdl对称机动飞行包线图对称机动飞行包线图“nyVdl对称机动飞行包线
9、”以过载系数对称机动飞行包线”以过载系数ny为纵坐标，以当量速度为纵坐标，以当量速度Vdl为横坐标，按为横坐标，按ny、V、Cy的限制范围绘制而成。的限制范围绘制而成。LALA11nyVdl对称机动飞行包线图对称机动飞行包线图A情况：是飞机机翼前压心的载荷情况；情况：是飞机机翼前压心的载荷情况；B情况：是飞机机翼后压心的载荷情况；情况：是飞机机翼后压心的载荷情况；LA情况：是飞机机翼扭转情况的最大载情况：是飞机机翼扭转情况的最大载荷情况，是在副翼实现荷情况，是在副翼实现6/s2转转动下的机翼受载情况动下的机翼受载情况；LAG情况：是最大速压情况，是飞机机翼气动弹性最严重情况；情况：是最大速压情
10、况，是飞机机翼气动弹性最严重情况；D情况：是负过载最严重情况，是飞机机翼后压心的另一载荷情况；情况：是负过载最严重情况，是飞机机翼后压心的另一载荷情况；E情况：是负过载最严重情况，是飞机机翼前压心的另一载荷情况。情况：是负过载最严重情况，是飞机机翼前压心的另一载荷情况。12对称机动飞行包线对称机动飞行包线nyVdlnyqnysyq(或或Vdl)Cy对应机动飞行状态对应机动飞行状态AAnymaxnymaxp/CymaxCymax小速度，大迎角的曲线飞行，（急上升）载荷系小速度，大迎角的曲线飞行，（急上升）载荷系数最大。数最大。BAnymaxqmaxmax(Vdljx)nymaxp/qjx飞机以最
11、大允许空速飞行时改出俯冲或下滑，载飞机以最大允许空速飞行时改出俯冲或下滑，载荷系数最大。荷系数最大。0.5BG点点B0.5nymaxqmaxmax(Vdljx)0.5nymaxp/qjx在最大允许空速飞行时，副翼偏转作特技和滚转在最大允许空速飞行时，副翼偏转作特技和滚转机动，载荷系数为最大值的一半。机动，载荷系数为最大值的一半。GC0qmaxmax(Vdljx)0垂直俯冲，在最大允许空速时偏转副翼。垂直俯冲，在最大允许空速时偏转副翼。DDnyminqmaxmax(Vdljx)nyminp/qmax在最大允许空速飞行时，以最小负载荷系数作机在最大允许空速飞行时，以最小负载荷系数作机动。动。EDn
12、yminnyminp/CyminCymin小速度、负迎角进入俯冲，载荷系数最小。小速度、负迎角进入俯冲，载荷系数最小。SGpGSqCnyy;max图3-14与飞行包线相应的飞行状态图LA13为了扩大飞行包线，第三大、第四代飞机的设计突出了高机动性为了扩大飞行包线，第三大、第四代飞机的设计突出了高机动性和敏捷性，低空大表速高滚转速率特点，采取了以下技术措施：和敏捷性，低空大表速高滚转速率特点，采取了以下技术措施：1.采用高升力布局，放宽静安定度等技术，改善起降性能，使采用高升力布局，放宽静安定度等技术，改善起降性能，使Cymax可达到可达到2.0；2.前、后缘机动襟翼，机翼扭转设计和采用翼身融合
13、体设计，实现前、后缘机动襟翼，机翼扭转设计和采用翼身融合体设计，实现飞机高升阻比和低超音速零升阻力；飞机高升阻比和低超音速零升阻力；3.采用边条翼或鸭式布局设计、推力矢量技术，实现高机动性和敏采用边条翼或鸭式布局设计、推力矢量技术，实现高机动性和敏捷性，在捷性，在550-600攻角可控；攻角可控；4.采用边缘平行的布局和控制三大散射源技术，实现隐身特性；采用边缘平行的布局和控制三大散射源技术，实现隐身特性；5.民机采用超临界翼型、局部层流技术，可变弯度机翼和翼尖小翼民机采用超临界翼型、局部层流技术，可变弯度机翼和翼尖小翼技术，实现高升阻比设计。技术，实现高升阻比设计。小小结结14对于现代飞机的
14、载荷计算，必须考虑结构弹性变形对载荷对于现代飞机的载荷计算，必须考虑结构弹性变形对载荷的影响。通常结构弹性会造成结构的卸载，但有些情况相的影响。通常结构弹性会造成结构的卸载，但有些情况相反。反。民用飞机的要求在飞行包线范围内不仅在边界点上选点计民用飞机的要求在飞行包线范围内不仅在边界点上选点计算，而且要求在其中进行大量的选点计算，找出各种可能算，而且要求在其中进行大量的选点计算，找出各种可能的严重情况。的严重情况。在有限元计算中，通常要求输入多种载荷情况，以确定各在有限元计算中，通常要求输入多种载荷情况，以确定各个部位的应力是否超过许用值。个部位的应力是否超过许用值。现代飞机常采用主动减载技术
15、。如现代飞机常采用主动减载技术。如380380飞机就利用载油飞机就利用载油进行机翼减载。进行机翼减载。几点说明几点说明15380380飞机利用载油进行机翼减载飞机利用载油进行机翼减载16CFDCFD计算气动力转换成结构点上的载荷计算气动力转换成结构点上的载荷有限元结构有限元结构网格载荷网格载荷空气动力空气动力网格载荷网格载荷172.4安全系数和设计载荷安全系数和设计载荷一、安全系数等概念的定义使用载荷使用载荷Pe：飞机在使用中预计各结构可能遇到的最大载荷，飞机在使用中预计各结构可能遇到的最大载荷，或称为限制载荷或称为限制载荷(LimitLoad)。在该载荷作用下，飞机各元件在该载荷作用下，飞机
16、各元件的应力的应力临近材料的比例极限临近材料的比例极限强度强度p，但未出现永久变形。但未出现永久变形。设计载荷设计载荷Pd：飞机及各结构在其作用下刚好飞机及各结构在其作用下刚好临近破坏临近破坏的的载荷，或称为极限载荷载荷，或称为极限载荷(UltimateLoad)。安全系数安全系数f：强度规范中定义设计载荷与使用载荷之比，即f=Pd/Pe182.4安全系数和设计载荷安全系数和设计载荷二、安全系数的物理意义其物理意义为实际使用载荷增大到多少倍结构才破坏，其物理意义为实际使用载荷增大到多少倍结构才破坏，这个倍数就是安全系数。这个倍数就是安全系数。Pd=fPe=fnG19三、安全系数的主要影响因素1)在使用载荷在使用载荷Pe作用下，飞机结构没有永久变形或屈服；作用下，飞机结构没有永久变形或屈服；2)在使用时，可能超过规定的机动动作或未估计到的突风，从而出在使用时，可能超过规定的机动动作或未估计到的突风，从而出现大于规定的使用载荷；现大于规定的使用载荷；3)结构所使用的材料及其加工过程中存在有缺陷，以及工艺误差等；结构所使用的材料及其
