飞机结构与系统第四章飞机机身结构

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1、南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院第四章第四章 飞机机身结构飞机机身结构本章内容本章内容机身结构的设计要求机身外载荷机身结构组成机身典型结构型式机身与其它部件的连接机身开口区结构南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身结构设计要求机身结构设计要求一、机身功用一、机身功用1.安置空勤组人员、旅客、装载燃油、武器、设备和货物；2.将机翼、尾翼、起落架及发动机连接在一起，形成一架完整的飞机。南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身结构设计要求机身结构设计要求二、结构设计要求二、结构设计要求1)需满足众多使用要求（最主要）；2)总体协调性要好，这样有利于飞机减重

2、；3)保证结构完整性前提下的最小重量要求；4)合理使用机身的有效容积，保证飞机性能；5)气动力要求主要是减小阻力；6)装载多，本身结构复杂，故对开敞性（便于维修）要求更高；7)良好的工艺性、经济性要求； 南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身外载荷机身外载荷 1. 1. 外载类型外载类型 1 1）装载加给机身的力）装载加给机身的力装载引起的质量力（集中、分布） 机身结构的质量力（分布）质量力大小与载荷系数成正比（沿机身轴线各处载荷系数大小方向可能不同）南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身外载荷机身外载荷 1. 1. 外载类型外载类型 2）其他部件传来的力）其他部件

3、传来的力 主要指飞行或起飞、着陆滑跑过程中，机翼、尾翼或起落架上传来的力。 若发动机安装在机身上，还有发动机推力和陀螺效应产生的集中力。飞机两点接地时机身的载荷飞机两点接地时机身的载荷南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身外载荷机身外载荷 1. 1. 外载类型外载类型 2）其他部件传来的力）其他部件传来的力 主要指飞行或起飞、着陆滑跑过程中，机翼、尾翼或起落架上传来的力。 若发动机安装在机身上，还有发动机推力和陀螺效应产生的集中力。作用在机身上的不对称载荷作用在机身上的不对称载荷 M扭扭 = Y Y c c M扭扭 = P P h h 水平尾翼不对称载荷水平尾翼不对称载荷 垂尾侧

4、向水平载荷垂尾侧向水平载荷 南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身外载荷机身外载荷 1. 1. 外载类型外载类型 3）增压载荷（）增压载荷（p255） 大气压力和温度随飞行高度的增大而下降，超过2500m将使人无法正常工作，继续增大会使人不能生存。 解决办法：座舱增压、加温。 气密增压座舱，从发动机压气机引入并通过自动调节装置进入座舱。 增压载荷：增压舱内的空气压力与周围大气空气压力之差。各类飞机增压座舱分布各类飞机增压座舱分布南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身外载荷机身外载荷3）增压载荷）增压载荷 在机身增压舱部分基本自身平衡，对机身的总体内力影响很小。 在机

5、身增压舱结构内产生轴向正应力和机身横截面内的环向正应力，前后端框产生侧压力。 对于旅客机而言，是重要的疲劳载荷。南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身外载荷机身外载荷 1. 1. 外载类型外载类型 4）气动载荷）气动载荷 只在机身局部区域（如机身头部和座舱盖等）局部载荷较大，对机身的总体内力基本没有什么影响。南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身外载荷机身外载荷 2. 2. 机身总体受力特点机身总体受力特点 机身可看作支持在机翼上的双支点或多支点外伸梁。 总体内力：两个平面内的弯矩、剪力和绕机身轴线的扭矩 。 受力和机翼相似，但对于机身垂直方向和水平方向的载荷基本为

6、同一数量级。机身垂直面内剪力图及弯矩图机身垂直面内剪力图及弯矩图南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身结构组成机身结构组成机身主要构件：机身主要构件： 蒙皮 纵向骨架:长桁、桁梁 横向骨架：隔框南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身结构组成机身结构组成机身主要构件：机身主要构件： 蒙皮 纵向骨架:长桁、桁梁 横向骨架：隔框南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身结构组成机身结构组成1.隔框隔框2.1）分类）分类3.普通框：普通框：维持机身的截面形状；对蒙皮和长桁起支撑作用。通常设计为环形框。加强框：加强框：普通框功能将装载的质量力和其他部件上的载荷经接头

7、传到机身结构上的集中力加以扩散，以剪流形式传给蒙皮。机身大开口两端南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身结构组成机身结构组成1.隔框隔框2.2）布置）布置3.歼击机框距：4. 300mm左右；5.大型运输机框距： 300500mm左右。框的总重占机身结构重量的20%27%。南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身结构组成机身结构组成1.隔框隔框2.3）构造型式）构造型式环形刚框环形刚框腹板框腹板框构架式框构架式框（很少采用）南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身结构组成机身结构组成1.隔框隔框2.3）构造型式）构造型式环形刚框环形刚框 由内、外缘条，框缘

8、腹板，腹板上的小支柱构成。 整体框：整体框： 模锻毛胚或厚板加工而成。环形整体式加强框环形整体式加强框1，6上下框段；2框缘连接接头；3，4机翼机身对接耳片接头及其加强筋；5，6两侧框段；8小支柱南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身结构组成机身结构组成1.隔框隔框2.3）构造型式）构造型式环形刚框环形刚框 组合式刚框：组合式刚框： 型材、薄板经铆接组合而成。 内外缘条：弯矩和轴力； 腹板：剪力 支柱：将集中力扩散成腹板上剪流。南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身结构组成机身结构组成1.隔框隔框2.3）构造型式）构造型式腹板框腹板框 相当于平面板杆结构。 加强型材

9、的作用：将集中力扩散成剪流传给腹板；提高腹板的剪切稳定性；受侧压时与腹板一起承弯；无侧压时只受轴力。 南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身结构组成机身结构组成2.长桁与桁梁长桁与桁梁3.1）功用：）功用：4.长桁：长桁：承受和传递机身弯矩引起的轴力；与蒙皮组成承力壁板；承受部分作用在蒙皮上的气动力并传给隔框。 桁梁桁梁的截面积大于长桁，功用类似。2）构造型式）构造型式 简单式简单式：从横剖面看只有一个结构元件； 组合式：组合式：从横剖面看有几个结构元件。 长桁多为简单式，桁梁有时采用组合式。桁梁剖面南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身结构组成机身结构组成3.机身

10、蒙皮机身蒙皮1）功用：）功用：构成机身气动外形，保持表面光滑，承受局部空气动力；承受xoy,xoz两个平面内的剪力和绕x轴扭矩；和长桁一起组成壁板承 受两个平面内弯矩引起 的轴力；气密增压座舱部位的蒙 皮还要承受环向和轴向 的张应力。南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身结构组成机身结构组成3.机身蒙皮机身蒙皮2）材料及布置：）材料及布置： 蒙皮材料蒙皮材料（p242） 一般采用铝合金，如LY12，2024-T4； Ma3的飞机，受热影响大的区域采用钛合金或不锈钢。 蒙皮厚度：蒙皮厚度： 载荷、工艺性、经济性 要求的综合考虑南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身结构

11、组成机身结构组成4.机身骨架元件与蒙皮机身骨架元件与蒙皮之间的连接之间的连接 纵、横构件交叉时，一般弱的让强的；蒙皮可以只与桁条相连，也可以与桁条、隔框都相连。1）普通框、长桁、蒙皮）普通框、长桁、蒙皮间的连接间的连接南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身结构组成机身结构组成4.机身骨架元件与蒙皮机身骨架元件与蒙皮之间的连接之间的连接2）加强框、长桁、蒙皮）加强框、长桁、蒙皮间的连接间的连接南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身结构组成机身结构组成5.地板结构地板结构结构组成： 横梁横梁纵梁纵梁地板块地板块横梁：横梁： 截面通常为槽形或工字形。纵梁：纵梁： 数目与座

12、椅滑轨相对应（往往做成同一构件）。南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身结构组成机身结构组成5.地板结构地板结构横梁与纵梁的连接：横梁与纵梁的连接：地板块结构：地板块结构： 上下面板、轻质芯材、边条。 南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身典型结构型式机身典型结构型式1 桁梁式：桁梁式： 结构特点：结构特点：有若干桁梁(如四根)，桁梁强；长桁少且弱，甚至可以不连续；蒙皮薄。 受力特点：受力特点：机身弯曲引起的轴向力主要由桁梁承担；剪力由蒙皮承担。 在桁梁间可布置大开口而不会显著影响机身抗弯强度和刚度。 南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身典型结构型式

13、机身典型结构型式2 桁条式：桁条式： 结构特点：结构特点：无桁梁；长桁密且强；蒙皮较厚。 受力特点：受力特点：机身弯曲引起的轴向力主要由桁条和较厚蒙皮组成的壁板承担；剪力由蒙皮承担。 不宜大开口，抗弯、扭刚度大；蒙皮局部变形小，有利于改善气动性能。南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身典型结构型式机身典型结构型式1.典型受力型式典型受力型式3）硬壳式：）硬壳式： 结构特点：结构特点：无桁梁，无桁条；蒙皮厚，与少数隔框组成机身。 受力特点：受力特点：机身总体弯、剪、扭引起的全部轴力和剪力由厚蒙皮承担；隔框用于维持机身截面形状，支持蒙皮、承担框平面内的集中力。 不宜大开口，机身实际应

14、用很少，只适于局部气动载荷较大，要求蒙皮局部刚度大的部位，如机头、尾锥等。南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身与其它部件的连接机身与其它部件的连接一、机翼一、机翼(尾翼尾翼)机身对接机身对接1.机翼机身对接形式机翼机身对接形式南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身与其它部件的连接机身与其它部件的连接一、机翼一、机翼(尾翼尾翼)机身对接机身对接2.机翼连接于机身两侧机翼连接于机身两侧1）接头数量南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身与其它部件的连接机身与其它部件的连接一、机翼一、机翼(尾翼尾翼)机身对接机身对接2.机翼连接于机身两侧机翼连接于机身两侧2

15、）对接框南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身与其它部件的连接机身与其它部件的连接一、机翼一、机翼(尾翼尾翼)机身对接机身对接2.机翼连接于机身两侧机翼连接于机身两侧3）接头型式南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身与其它部件的连接机身与其它部件的连接一、机翼一、机翼(尾翼尾翼)机身对接机身对接3.中央翼通过机身中央翼通过机身1）机翼、机身框各自独立南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身与其它部件的连接机身与其它部件的连接一、机翼一、机翼(尾翼尾翼)机身对接机身对接3.中央翼通过机身中央翼通过机身2）中央翼梁与机身对接框为整体结构 主要目的是减轻重量。

16、南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身与其它部件的连接机身与其它部件的连接一、机翼一、机翼(尾翼尾翼)机身对接机身对接4.尾翼与机身对接尾翼与机身对接 尾翼与机身的连接，机翼与机身的连接，两者没有根本区别。南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身与其它部件的连接机身与其它部件的连接二、起落架与机身的连接二、起落架与机身的连接 前起落架（前三点布置）均连接在机身上，主起落架一般布置在机翼上居多，当机翼较高时也可布置在机身上。 起落架通常固定在机身加强框和纵梁上。南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身与其它部件的连接机身与其它部件的连接二、起落架与机身的连接

17、二、起落架与机身的连接 前起落架（前三点布置）均连接在机身上，主起落架一般布置在机翼上居多，当机翼较高时也可布置在机身上。 起落架通常固定在机身加强框和纵梁上。南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身与其它部件的连接机身与其它部件的连接三、机身设计分离面处的对接三、机身设计分离面处的对接 某些飞机在机身布置可拆卸的设计分离面，将机身分成前后两段，便于对发动机等进行检查维修。 通常采用沿对接框四周均布对接螺栓：南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身与其它部件的连接机身与其它部件的连接四、发动机在机身上的安装四、发动机在机身上的安装 1. 机身内发动机的安装机身内发动机的

18、安装 一般置于机身内的机身后段，要求：安装方便；避免机身变形对发动机的影响；允许发动机轴向、径向的热膨胀。南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身与其它部件的连接机身与其它部件的连接四、发动机在机身上的安装四、发动机在机身上的安装 1. 机身内发动机的安装机身内发动机的安装 另一种典型的发动机安装形式。南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身与其它部件的连接机身与其它部件的连接四、发动机在机身上的安装四、发动机在机身上的安装 2. 机身外挂发动机的安装机身外挂发动机的安装 南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身开口区结构机身开口区结构一、开口与口盖的分类一

19、、开口与口盖的分类1.开口的分类开口的分类2. 通常按尺寸分为：大开口、中开口和小开口。3. （大小是相对于开口所在部件的基准尺寸而言）2. 口盖的分类口盖的分类(1)按使用特性： 快卸口盖 一般口盖南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身开口区结构机身开口区结构一、开口与口盖的分类一、开口与口盖的分类2. 口盖的分类口盖的分类(2) 按受力特性：按受力特性： 口盖的受力特性及开口区加强与基体结构基体结构的受力特性有关。 开口的基体结构基体结构：开口附近的原结构。可分为： 不受力基体结构： 不参与整体受力，如：机身头部处蒙皮。 受剪基体结构： 只承受剪流，不承受轴向力，如：薄蒙皮强

20、梁(桁) 结构的蒙皮。 受轴向力基体结构。 能承受剪流，也能承受轴向力，如壁板。（开口将切断其长桁或厚蒙皮） 南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身开口区结构机身开口区结构一、开口与口盖的分类一、开口与口盖的分类2. 口盖的分类口盖的分类(2) 按受力特性：按受力特性： 不受力口盖 只承受口盖上局部气动载荷。并传给基体结构。受剪口盖受轴向力口盖传剪加强传剪加强轴向力加强轴向力加强南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身开口区结构机身开口区结构一、开口与口盖的分类一、开口与口盖的分类3. 飞机上的典型开口、口盖布置飞机上的典型开口、口盖布置 南京航空航天大学民航学院南京

21、航空航天大学民航学院机身开口区结构机身开口区结构二、开口补强二、开口补强1.小开口结构补强小开口结构补强2. 小开口在机体内部，一般没有口盖；在蒙皮上，则大多为不受力口盖。3.1）小开口去掉受剪板时的补强（无口盖）小开口去掉受剪板时的补强（无口盖）开口尽量设计成圆形，降低应力 集中系数；口框加强。口框：绕开口周围布置一圈截面具有 抗弯能力的加强结构，类似刚 框。法兰盘式口框组合式口框南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身开口区结构机身开口区结构二、开口补强二、开口补强1.小开口结构补强小开口结构补强2.2）蒙皮同时承受剪应力和正应力（有口盖）蒙皮同时承受剪应力和正应力（有口盖）合

22、理选择开口形状和相对于正应力作用方向的位置 ；当有很多小开口时，应尽量 排在同一轴线上；在正应力方向布置加强筋。 南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身开口区结构机身开口区结构二、开口补强二、开口补强2.中开口结构补强中开口结构补强3. 开口周围布置井字型排列的纵、横型材（含很强的口框），4.和外侧的纵横型材组成一圈围框。南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身开口区结构机身开口区结构二、开口补强二、开口补强2.中开口结构补强中开口结构补强3. 开口周围布置一块加4.强垫板，与周围框缘条5.和长桁共同形成围框。南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身开口区

23、结构机身开口区结构二、开口补强二、开口补强3.大开口结构补强大开口结构补强(1)单闭室盒段上有大开口 在开口两端布置加强框(全腹板) ；开口段内的长桁、开口两侧的加强桁梁应加强；加强桁梁必须延伸到 整个参与段，并随着 附近轴力的逐渐减小 将桁梁的截面积减小；加强桁梁尽可能做成 闭剖面薄壁梁，以增 加机身结构刚度。南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院机身开口区结构机身开口区结构二、开口补强二、开口补强3.大开口结构补强大开口结构补强(2)双闭室盒段机身上有大开口 在开口两端布置加强框；机身下方布置一根很强的龙骨梁，最好为盒形；南京航空航天大学民航学院南京航空航天大学民航学院本章思考题本章思考题1.机身功用及外载，什么是增压载荷2.机身结构设计首要要求3.机身主要构件及其受力特性4.机身典型受力型式及其特点5.开口与口盖的分类