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1、1,飞机结构分析与设计,第四讲,2,第三章 飞机的外载荷,飞机的外载荷及强度刚度规范是结构设计、强度计算的重要依据。本章主要介绍如何确定结构设计所需外载荷 使用过程中，影响飞机结构强度的主要载荷有：,影响飞机结构强度的主要载荷,飞行中的空气动力,重 力,着陆时的地面冲击力,本章内容：飞机飞行中的载荷,3,飞机的外载荷,除了气动载荷，结构设计载荷还应考虑惯性载荷和使用过程中的其它载荷，如增压舱载荷等。,对于复合材料还应考虑环境造成的载荷。如温度和湿度产生的载荷。通常将其放在材料的安全系数之中。,4,空气动力与惯性载荷,局部结构设计载荷和惯性载荷,5,次要空气动力载荷,F18飞机尾翼引起的疲劳问题
2、 根源就是由于机翼的边条涡产生的抖振载荷,6,气流抖动载荷,机翼、尾翼承受空气动力抖振 抖振将大量的相对低振幅循环加到机动载荷中，形成载荷的波动和叠加 添加抖振载荷到载荷谱中，增加了载荷谱一个数量级,7,燃油载荷造成的机翼压断,其它可能忽视的载荷,8,升力 Y 阻力 X 发动机推力 T 前、主起落架的地面反力 Pn 、 Pm,外界作用在飞机上的外力有：,表 面 力,质量力,与飞机的质量m有关的力，其中包括飞机总重G和惯性力N。,9,飞机在空中飞行时的受力情况可简化成：,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 -
3、 Yt = m ( g+ ay ) = G +Ny,Mz = 0, -Yw C + Yt ( d + c ) = Iz z,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,10,3.1 典型飞行情况和机动载荷（过载）,一、平直飞行情况,飞机作水平直线等速飞行时的外载荷情况为,图3-2 平直飞行时受载情况,此时 Y = G , T = X,这种情况的外载荷特点是： 作用在飞机上的升力等于飞机的重量，即 Y / G = 1,11,二、俯冲拉起情况,这是一种常用的在垂直平面内作曲线机动飞行的情况,作用在飞机上的外载荷有：Y、T、X、G 以及惯性力Ny,图3-3 俯冲攻击后拉起时的受载情
4、况,设飞机的速度为V，航迹曲率半径为r，则法向（y向）加速度为,离心惯性力为,12,飞机的动平衡方程为,曲线飞行时，Y是G的ny倍。,用ny表示Y/G，则,该升力与重力之比值称为过载系数，简称过载。 在弧线最低点，即 = 0 ( cos = 1 ) 时，过载系数达到最大值,图3-3 俯冲攻击后拉起时的受载情况,俯冲拉起情况,13,例题:如右图所示,飞机俯冲后沿圆弧线拉起。求:(1)当已知v=1000km/h, r=1000m, =45,30,0时的ny各为多少？(2)若限制nymax8，在同样的拉起速度下，允许的拉起圆弧半径r为多大？ 解：(1),=45,cos =0.707, ny=8.57
5、7 =30,cos =0.866, ny=8.736 =0, cos =1, ny=8.87= nymax,(2),于是,14,三、过载系数的概念,1. 过载系数的定义,飞机所受除重力之外的外力总和与飞机重力之比称为过载系数 (所有表面力的合力与飞机重量 G 之比)，用符号n表示。它沿飞机主轴的三个分量为nx、ny、nz (图3-7)。,除重力之外的总外力的 y向分量（即升力Y ）与飞机重力 G 之比，就是 y 向过载系数ny，它可能为正，也可能为负，这取决于该方向的外力情况。,15,2. 过载系数的物理意义,若x 和 z 方向的过载系数均较小，则可略去不计，主要考虑 y 方向的过载。,用来计
6、算实际载荷的大小。如果知道了飞机的过载系数，就能方便地求得飞机实际载荷的大小和方向，这便于设计飞机的结构，检验其强度、刚度。 过载系数与飞机机动性等飞行状态密切相关，因此它是飞机设计的一个重要参数。设计时如能正确选取过载系数的极限，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。,过载系数表示了飞机实际的外力与飞机重力的关系。它是用倍数的概念来表示的，是一个相对值。,另一方面，过载系数又表示飞机实际的质量力的情况。以俯冲拉起机动飞行为例，实际y向质量力 (Gcos + Ny) 是G的多少倍，这个倍数就是ny，即,3. 过载系数的实际应用,16,四、进入俯冲情况,飞机在此情况下,视 V
7、 与 r 的不同情况，ny可以为正，也可以为负，还可以为零。,图3-4 进入俯冲情况,飞机在此情况下 Y = 0 ，ny = 0 在x方向可能存在过载 nx = (T-X)/G = (Nx G)/G,五、垂直俯冲情况,17,这是飞机机动性能的主要项目之一，此时的受载特点为,盘旋倾斜角 越大， ny 越大。当大坡度盘旋 =7580 时， ny = 46。,盘旋时水平方向的过载为,当 =7580 时， nh = 3.75.7。,六、等速水平盘旋情况,18,七、垂直突风（阵风）情况,垂直突风是各种突风中的最严重情况。,飞机处于直线水平无侧滑飞行，遭遇一个确定形状和强度的孤立垂直阵风 u. 由于飞行速
8、度V0 远大于阵风速度，可以认为飞机仍以速度V 0相对空气运动，只增加机翼迎角. 升力增量Y 为,又因,垂直突风情况,13-3/2013,19,则飞机平飞时遇突风过载ny 为,式中 Cy升力系数增量； 迎角增量； Y0 飞机原平飞升力； u 垂直突风速度； Cy升力线斜率； H 飞行高度H上的空气密度； p = G/S 翼载荷； K 垂直突风衰减系数。当垂直突风来得愈突然（扰动气流影响区L愈小），V0愈大，K值就愈接近于 1。,在暴风雨中飞行时，u可达40m/s，将产生较大的过载。除此之外，周期性突风还将引起振动而产生疲劳，同时产生附加的振动过载。,20,八、考虑飞机转动时的过载,在距重心 x
9、i 处 i 点的线加速度为,在 i 点 y 方向总加速度 ai 为,飞机在空中飞行时，通常既有平移运动，又有旋转运动。若飞机在对称面内作曲线运动，平尾上会产生使飞机作机动的载荷Ytm，使飞机产生绕z轴的角速度z 、角加速度 。,21,如果 i 点处物体的重力为Gi ，则质量力为 Gi cos +mi ai （见图3-8b）。 i 点处的过载系数 ni 为,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。,飞机转动时的过载,22,3.2 过载系数的确定,一、过载系数的测定,过载
10、系数与飞行状态密切相关，左图给出了不同飞行轨迹时的过载系数。,23,得到过载系数的方法,计算：根据各典型机动飞行中有关公式计算得到,实测：在飞行中测定，从而得到更准确的飞行载荷谱,如果需要测量飞机某处的过载，就将过载表装载该处；如要测全机的过载，则将过载表装在飞机重心处。,过载系数的测定,24,二、理论过载最大值 nmax,H 飞行高度H上的空气密度； S 机翼面积； Cy全机升力系数； q = H V2 / 2 动压（速压）; p = G/S 翼载荷，为飞机总体设计时确定的飞机主要参数之一。,25,人员的生理是最大过载的主要限制因素之一：人体能够承受过载的大小是有方向性的 在胸到背、背到胸的
11、方向，驾驶员忍受的过载最强； 在足至头的方向，忍受的过载的能力最弱。（见左图）,限制飞机最大使用过载值的因素 ：飞机最大过载值的大小与飞机的飞行战斗性能和飞机结构的受力、设备的正常工作条件、人员的生理机能等有很大的关系 在飞机设计规范中，对不同类型的飞机所应选取的最大过载值都有明确规定,三、影响最大使用过载的因素,26,飞机的过载系数是最重要的原始参数之一，是表征飞机机动性的重要参数。过载的大小应根据飞机的用途确定。 各国规范都根据本国实际情况对飞机进行分类，并规定其过载的大小。,四、最大使用过载的确定,27,总 结,表面力与质量力的概念,飞机平移运动时的平衡方程,过载系数的概念（包括定义、物理意义、确定和实际应用）,几种典型飞行情况的机动过载计算方法,28,第四讲结束,退 出,
