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1、飞机结构分析与设计飞机结构分析与设计2022/7/291第四章：第四章：机翼、尾翼结构分析与设计机翼、尾翼结构分析与设计4.1 机翼的功用与要求机翼的功用与要求4.2 机翼的载荷与内力机翼的载荷与内力4.3 机翼的结构形式机翼的结构形式4.4 平直机翼的传力分析平直机翼的传力分析一、传力分析的一般原理一、传力分析的一般原理2022/7/292二、梁式机翼的传力分析重点以双梁式平直机翼为例，详细分析载荷在结构中的传力过程。重点以双梁式平直机翼为例，详细分析载荷在结构中的传力过程。1 1、气动载荷的传递、气动载荷的传递(1)(1)蒙皮把气动载荷分别传给桁条和翼肋蒙皮把气动载荷分别传给桁条和翼肋蒙皮
2、受蒙皮受气动吸力气动吸力气动吸力气动吸力时，桁条和翼肋通过铆钉受拉对蒙皮提供支时，桁条和翼肋通过铆钉受拉对蒙皮提供支反力；蒙皮受反力；蒙皮受气动压力气动压力时，蒙皮直接压在桁条和翼肋上，此时铆时，蒙皮直接压在桁条和翼肋上，此时铆钉不受力。钉不受力。Assumption of Delta distribution Superposition of the left and right2022/7/293(2)(2)桁条把自身承担的那部分气动载荷传给翼肋桁条把自身承担的那部分气动载荷传给翼肋桁条与翼肋直接用角片或间接通过蒙皮与翼肋相连，桁条可桁条与翼肋直接用角片或间接通过蒙皮与翼肋相连，桁条可以看
3、成支持在翼肋上的多点连续梁受横向弯曲。以看成支持在翼肋上的多点连续梁受横向弯曲。至此，作用在蒙皮上的气动载荷全部传给了翼肋：一部分是直至此，作用在蒙皮上的气动载荷全部传给了翼肋：一部分是直接传给翼肋的，另一部分是通过桁条间接传给翼肋的。接传给翼肋的，另一部分是通过桁条间接传给翼肋的。Note the detailsNo what matter the joints really are,they supply reaction force for stringer when modelling their effects2022/7/294(3)(3)翼肋将载荷传给翼梁腹板和蒙皮翼肋将载荷传给
4、翼梁腹板和蒙皮翼肋的受载形式是一根梁，其支持翼肋的受载形式是一根梁，其支持是分散的、弹性的。翼肋上的载荷有是分散的、弹性的。翼肋上的载荷有蒙皮传来初始局部气动载荷，以及由蒙皮传来初始局部气动载荷，以及由桁条传来的小集中力形式的载荷。桁条传来的小集中力形式的载荷。2022/7/295(4)(4)翼梁将载荷向根部传递翼梁将载荷向根部传递翼梁腹板受到由翼肋翼梁腹板受到由翼肋传来的剪力，使腹板传来的剪力，使腹板受剪。由于腹板与很受剪。由于腹板与很多翼肋相连，翼肋传多翼肋相连，翼肋传给腹板的剪力也就一给腹板的剪力也就一个一个叠加上去，所个一个叠加上去，所以从翼尖至翼根，梁以从翼尖至翼根，梁腹板上的剪力成
5、阶梯腹板上的剪力成阶梯形增加。形增加。2022/7/296(4)(4)翼梁将载荷向根部传递翼梁将载荷向根部传递腹板上所有剪力的总和最终在机身侧边接头上得到平衡。腹板上所有剪力的总和最终在机身侧边接头上得到平衡。这种横向剪力还会引起弯矩，这些剪力在向根部传递时引起的这种横向剪力还会引起弯矩，这些剪力在向根部传递时引起的弯矩，依靠梁的上、下缘条提供一对沿着翼展方向相反的支反剪弯矩，依靠梁的上、下缘条提供一对沿着翼展方向相反的支反剪流所形成的支反力矩来平衡。流所形成的支反力矩来平衡。腹板也就将弯矩以轴向剪流的形式传给了翼梁的上、下缘条。腹板也就将弯矩以轴向剪流的形式传给了翼梁的上、下缘条。最后在机翼
6、根部通过与机身的固接接头传给机身。最后在机翼根部通过与机身的固接接头传给机身。2022/7/297(5)(5)周缘闭室将扭矩以剪流形式向根部传递周缘闭室将扭矩以剪流形式向根部传递扭矩传到机翼根部，由于机翼是用梁上的集中接头和其它部件连接，扭矩传到机翼根部，由于机翼是用梁上的集中接头和其它部件连接，因此，根部必须设置加强肋，以便将扭矩从分散剪流形式转变因此，根部必须设置加强肋，以便将扭矩从分散剪流形式转变成一对成一对力偶传给前后梁，再通过加强支柱或加强垫板传给连接接头。力偶传给前后梁，再通过加强支柱或加强垫板传给连接接头。2022/7/2982、集中载荷的传递、集中载荷的传递机翼上较大的集中载荷
7、，如副翼、襟翼、发动机、起落架、各种机翼上较大的集中载荷，如副翼、襟翼、发动机、起落架、各种外挂和装载传来的集中力，通过加强翼肋转化成分散力传给翼梁外挂和装载传来的集中力，通过加强翼肋转化成分散力传给翼梁腹板和蒙皮。腹板和蒙皮。加强翼肋受集中力时，肋剖面中有相当大的剪力和弯矩，因此加强翼肋受集中力时，肋剖面中有相当大的剪力和弯矩，因此翼肋腹板和上下缘条都相当强，与翼梁腹板和蒙皮连接也很强，必翼肋腹板和上下缘条都相当强，与翼梁腹板和蒙皮连接也很强，必要时腹板上还铆上支柱。要时腹板上还铆上支柱。2022/7/299单梁式机翼的传力分析单梁式机翼的传力分析与双梁式机翼对比：相同处相同处相同处相同处：
8、单梁式机翼的结构受力形：单梁式机翼的结构受力形式和各结构的受力功用与双梁式机式和各结构的受力功用与双梁式机翼基本相同。翼基本相同。相异处相异处相异处相异处：单梁式机翼仅有一根强有：单梁式机翼仅有一根强有力的梁，另外还有力的梁，另外还有1 12 2根纵墙；根纵墙；机翼机身连接，梁上有可传递弯矩机翼机身连接，梁上有可传递弯矩的接头，纵墙上是只能传递剪力的的接头，纵墙上是只能传递剪力的铰链接头。因此，纵墙在根部不能铰链接头。因此，纵墙在根部不能传弯，它所承受的传弯，它所承受的“弯矩弯矩”要通过要通过根段蒙皮以剪流方式传到梁上，再根段蒙皮以剪流方式传到梁上，再传给机身。（传给机身。（HowHow？）？
9、）2022/7/2910三、单块式机翼的传力分析三、单块式机翼的传力分析单块式机翼的结构特点单块式机翼的结构特点：长桁较多、较强，蒙皮较厚，翼肋较密，一般梁缘条的剖面长桁较多、较强，蒙皮较厚，翼肋较密，一般梁缘条的剖面面积与长桁的剖面面积接近或略大一些，有时只布置纵墙而不采面积与长桁的剖面面积接近或略大一些，有时只布置纵墙而不采用缘条面积特别大的翼梁。用缘条面积特别大的翼梁。桁桁 条条翼翼 肋肋气气动动载载荷荷蒙蒙 皮皮梁（墙）腹板梁（墙）腹板缘条、桁条和蒙皮组成的壁板缘条、桁条和蒙皮组成的壁板2022/7/2911三、单块式机翼的传力分析梁缘条传给梁缘条传给蒙皮的剪流蒙皮的剪流相临的蒙皮相临
10、的蒙皮铆铆 钉钉最近的桁条最近的桁条桁桁 条条蒙皮内蒙皮内剪流的剪流的分布分布2022/7/2912四、多腹板式机翼的传力分析四、多腹板式机翼的传力分析多腹板式机翼的结构特点：多腹板式机翼的结构特点：这类机翼布置了较多的纵墙（一般多于这类机翼布置了较多的纵墙（一般多于5 5个，有的多达个，有的多达1010余个），余个），蒙皮较厚，无长桁，翼肋很少。厚蒙皮单独承受全部弯矩。蒙皮较厚，无长桁，翼肋很少。厚蒙皮单独承受全部弯矩。气气动动载载荷荷蒙蒙 皮皮腹腹 板板蒙蒙 皮皮侧侧 边边 翼翼 肋肋机翼根肋机翼根肋机机 身身2022/7/2913补充：扭矩在多闭室中的分配补充：扭矩在多闭室中的分配B薄壁
11、管的剪流计算公式为薄壁管的剪流计算公式为 式中式中F0 为管壁中线所围的面积。为管壁中线所围的面积。B薄壁管单位长度扭转角为薄壁管单位长度扭转角为 式中式中 称为扭转常数称为扭转常数 i i 第第 i i 段管壁的厚度段管壁的厚度S S i i 第第 i i 段管壁的长度段管壁的长度B双闭室薄壁结构中，各闭室的双闭室薄壁结构中，各闭室的扭转角相同，即扭转角相同，即1=2又因为又因为Mt1+Mt2=Mt所以所以上式说明：剖面扭矩在各闭室间按扭转刚度 GJp 正比分配。多闭室的扭矩分配同法类推。2022/7/2914五、中外翼对接处的传力五、中外翼对接处的传力对接接头集中式连接集中式连接分散式连接
12、分散式连接外外翼翼根根部部的的连连接接形形式式如梁式机翼如梁式机翼如单块式机翼、如单块式机翼、多腹板式机翼多腹板式机翼B梁式机翼梁式机翼 垂直耳片传力垂直耳片传力 垂直剪力垂直剪力垂直弯矩垂直弯矩水平弯矩水平弯矩 螺栓剪力螺栓剪力 水平剪力水平剪力 耳片挤压力耳片挤压力机机翼翼扭扭矩矩根根部部加加强强肋肋翼翼梁梁腹腹板板螺螺栓栓剪剪力力垂直垂直力偶力偶2022/7/2915B梁式机翼梁式机翼 水平耳片接头传力水平耳片接头传力 水平剪力水平剪力垂直弯矩垂直弯矩水平弯矩水平弯矩 螺栓剪力螺栓剪力 垂直剪力垂直剪力 耳片挤压力耳片挤压力机翼扭矩机翼扭矩根部加强肋根部加强肋翼梁缘条翼梁缘条耳片挤压力耳
13、片挤压力螺栓剪力螺栓剪力水平水平力偶力偶2022/7/2916B单块式机翼对接处的传力单块式机翼对接处的传力分散对接接头分散对接接头对对 孔孔 式式弯弯 矩矩螺螺栓栓轴轴力力剪剪力力、扭扭矩矩螺螺栓栓剪剪力力B多腹板式机翼多采用对孔连接给中翼传力多腹板式机翼多采用对孔连接给中翼传力2022/7/2917六、机翼机身对接接头的传力与平衡六、机翼机身对接接头的传力与平衡(非非)对称弯矩对称弯矩 机身接头机身接头机机翼翼扭扭矩矩机机身身通过机身前后接头通过机身前后接头 剪力 翼梁腹板翼梁腹板 机身加强框B梁式机翼梁式机翼 梁式机翼主要靠翼梁承受垂直梁式机翼主要靠翼梁承受垂直弯矩。机身总体布局中应尽可
14、能弯矩。机身总体布局中应尽可能将中翼梁贯穿机身，使弯矩在梁将中翼梁贯穿机身，使弯矩在梁中直接平衡。否则，只能在机身中直接平衡。否则，只能在机身侧边相连，由机侧边相连，由机身框起中翼梁的身框起中翼梁的作用，这时框受作用，这时框受力很大，需特别力很大，需特别加强，会增加重加强，会增加重量。量。8-4/20132022/7/2918单块式机翼上下壁板和前后墙腹板组成的翼盒通常完整地贯穿单块式机翼上下壁板和前后墙腹板组成的翼盒通常完整地贯穿机身，以保证壁板连续传力。机身，以保证壁板连续传力。B单块式机翼单块式机翼非对称弯矩 前后墙腹板上的加强支柱前后墙腹板上的加强支柱 机身加强框剪 力 前后墙腹板上的
15、加强支柱前后墙腹板上的加强支柱 机身加强框机机 身身机身侧边周机身侧边周缘连接条和缘连接条和腹板支柱腹板支柱机机 翼翼 扭扭 矩矩2022/7/29194.5 后掠机翼的结构特点和受力分析后掠机翼的结构特点和受力分析一、后掠机翼与平直机翼的主要区别一、后掠机翼与平直机翼的主要区别q后掠机翼的功用后掠机翼的功用：延迟激波的发生，或减弱激波强度以减小波阻。延迟激波的发生，或减弱激波强度以减小波阻。q后掠机翼与平直机翼的主要区别后掠机翼与平直机翼的主要区别：后掠机翼由平直机翼向后转一后掠机翼由平直机翼向后转一个角度所形成。它的外段实质就是一个平直机翼，构造和受力与个角度所形成。它的外段实质就是一个平
16、直机翼，构造和受力与直机翼无太大区别。主要差异：直机翼无太大区别。主要差异：1）在根部三角区内结构比较特殊，后面重点讨论；）在根部三角区内结构比较特殊，后面重点讨论；2）翼肋布置方式：顺流布置和正交布置。（正交机翼比较普遍，）翼肋布置方式：顺流布置和正交布置。（正交机翼比较普遍，有工艺性好、节省材料，蒙皮不易失稳等优点。）有工艺性好、节省材料，蒙皮不易失稳等优点。）2022/7/2920q机翼后掠产生的问题机翼后掠产生的问题：1）整体上）整体上对相同展弦比和梯形比，对相同展弦比和梯形比，后掠翼比平直翼长后掠翼比平直翼长;垂直于机翼刚度轴的弦长较短，又采用了相对厚度较小垂直于机翼刚度轴的弦长较短，又采用了相对厚度较小的翼型，机翼的翼型，机翼细长而薄细长而薄，弯矩刚度有所降低，弯矩刚度有所降低;气动合力作用点向翼尖靠近，使弯矩和扭矩增大。气动合力作用点向翼尖靠近，使弯矩和扭矩增大。相比平直翼，后掠翼的强度、刚度特性变差，后掠角越相比平直翼，后掠翼的强度、刚度特性变差，后掠角越大问题越突出。大问题越突出。综上，为保证足够的强度刚度，必然要付出重量代价。综上，为保证足够的强度刚度，必然要付出重
