飞机结构分析与设计讲稿.ppt

1,第 十 讲,飞机结构分析与设计,2,3.8 机翼结构形式确定与结构布置,一、机翼结构设计的内容,具体地说，机翼的结构设计是指，根据给出的原始依据，合理地选择机翼的受力形式，布置机翼的主要受力构件，确定沿展向各剖面处纵向元件的尺寸，并对各主要受力构件进行设计。,3,二、机翼结构设计的原始依据,机翼结构设计的原始依据,展弦比 ,机翼展长 l,翼型相对厚度C,后掠角 ,梯形比 ,强度刚度规范及设计参数,4,三、机翼结构设计的步骤,机翼结构设计的具体步骤：,5,四、机翼结构型式的选择(属打样设计阶段),机翼的结构型式在总体设计阶段就已进行了初步考虑。总体方案确定后，各部件的结构受力型式和主要受力构件的布置也就基本确定，在结构设计中只是根据协调需要作小的更改。,1、各种受力结构型式的特点及其材料分布 梁式 主要结构特点是: 纵向有很强的翼梁，蒙皮较薄，长桁较弱，梁的缘条剖面与长桁剖面相比要大得多。 优 点: 结构简单，蒙皮上打开口方便，开口对结构承弯能力影响很小；连接简单，对接点少。,机翼结构形式的确定,6,缺 点: 蒙皮未能发挥承弯作用，材料利用不充分；蒙皮易失稳，影响气流质量，增大阻力，并易导致早期疲劳损坏；生存性低。,单块式 主要结构特点是： 长桁较多较强，蒙皮较厚，翼肋较密，一般梁缘条的剖面面积不大，有时只布置纵墙而不采用缘条面积较大的翼梁。 优 点： 蒙皮在气动载荷作用下变形较小，气流质量高。材料向外缘分散，抗弯、抗扭强度及刚度均有所提高。安全可靠性好。 缺 点： 结构复杂，对开口敏感。与中翼或机身接合点多，连接复杂。,单块式机翼的结构特点,7,多腹板式 主要结构特点是：这类机翼布置了较多的纵墙，蒙皮较厚。厚蒙皮单独承受全部弯矩。 优 点：抗弯材料分散在剖面上下缘，结构效率高；局部刚度及总体刚度大；受力高度分散，破损安全特性好，生存性高。 缺 点：不宜大开口；与机身连接点多。,多腹板式机翼的结构特点,梁式、单块式、多腹板式三种机翼受力型式的主要区别在于承受弯矩引起的正应力元件面积的分散度不同，因而当元件总面积相同时，通常是后者的形心距较高，结构效率可能较高，重量可能较轻。 但对于具体情况有待进一步分析。,8,梁式机翼蒙皮薄，在翼盒闭室面积相同情况下，扭转刚度小，一般翼面相对厚度较大的低速飞机较多采用。 单块式机翼蒙皮较厚，扭转刚度也较好，对提高颤振临界速度很有利，一般被小、中、大展弦比，速度较高的飞机采用。 多墙式机翼蒙皮很厚，并以多个腹板形成的翼盒多闭室受扭，提高了扭转刚度，刚度最好，一般中、小展弦比，相对厚度小的高速飞机采用。,2、翼型厚度和扭转刚度,9,（1）机翼的相对载荷 M/HaB,B 受力翼盒的弦长（近似取为60%的弦长） Ha 翼盒的平均高度（近似取为80%翼型最大高度）,相对载荷的意义： 代表壁板以宽柱型式受力时，单位宽度壁板上所受的轴向力。,3、相对载荷、有效高度比,10,假设略去后掠角和梯形比的影响，估算时近似地把后掠机翼简化为平直矩形机翼，同时略去机身段的影响，后掠、平直机翼相对载荷估算公式为 （主要从受压区的情况进行分析）,相对载荷为,可见 G/S、l、n 等参数愈大，C 愈小，则相对载荷愈大。,机翼对称面上的最大弯矩为,11,He 有效高度，上、下缘条的形心间距。,（2）有效高度比, 讨 论,当相对载荷很小时 采用分散受力型式，根据b决定的蒙皮与桁条的面积可能很小，而其失稳临界应力cr 就可能大大低于b 。因此，如果按cr确定构件尺寸， 从b来看，材料利用就不充分。,12, 讨 论,如果采用梁式，由于受正应力的面积集中在梁缘条，其截面积就较大，不易失稳。虽然缘条形心离蒙皮内表面的距离较大，而使He 有所降低，但总的说来可能还是有利的。 特别当C 较大时， He 也没有明显降低。,当相对载荷愈大时 采用分散受力型式，其长桁、蒙皮在各切面处的面积不致太小，不易失稳，也即cr 不致很小。 分散受力型式，上、下纵向元件的形心间距大，结构效率高些，总的来说是有利的。,13,多腹板式相对于单块式结构，因材料的分散度更大，有效高度比更大，因而更有利。,总结,总 结 仅就相对载荷和有效高度比这两个参数来分析（对于梯形比在1-4之间的平直机翼和后掠机翼），一般说来 当 M/HaB 较大、相对厚度c较小时，宜采用多腹板式结构； 当 M/HaB 较大、相对厚度c较大时，宜采用单块式结构； 当 M/HaB 较小、相对厚度c较大时，宜采用梁式结构。,14,举 例,15,按强度要求选择机翼结构布局，主要是采用“满应力”的方法，即结构的工作应力e力求与结构的许用应力相等,许用应力的确定,外载荷,4、提高受压破坏平均应力,结构模型,有限元分析,满应力准则,受拉面,结构疲劳断裂设计,结构稳定性设计,受压面,16,在结构形式选择和主要受力构件布置时，可先按稳定性要求初步确定最小质量布局，然后用疲劳、损伤容限分析检查受拉翼面等等，进一步修改整个一面结构。,影响翼面结构质量最主要的载荷为翼面的最大弯矩。将受力翼盒上的弯矩与翼面结构特性组合起来，定义翼面载荷指数p为,4、提高受压破坏平均应力,其中,h翼盒上下剖面形心间的高度,17,每种结构都有其最佳适用范围。按稳定性设计各种结构最小重量适用范围有,4、提高受压破坏平均应力,5、翼身相对位置及机身空间 6、空间及开口总体布局 7、变后掠翼的布局特点,18,五、机翼主要受力构件布置,机翼主要受力构件布置是指具体确定机翼主要受力构件的布置方式、数量和位置。 主要受力构件有：梁、墙、加强肋、普通肋、桁条等。,1、主要受力构件布置的原则,确保气动载荷引起的弯、剪、扭能顺利可靠地传向机身。 受力构件布置要力求简练，一般来说，传力越直接越好，结构重量越轻。 布置加强构件应尽量做到综合利用，以减轻重量。 布置受力构件时要有全局关。,19,1、主要受力构件布置的原则,损伤容限设计。 改善结构工艺性和使用维护性。 注意结构的现实性和先进性，适当采用新结构、新材料和新工艺。,2、主要受力构件的布置,梁与墙的布置 数量：一般现代运输机上，机翼至少有两根梁。 一是因为要形成承扭闭室，二是因为可作整体油箱 壁板。 位置与布置方式：一般前梁位于能与机翼前缘缝翼、前缘襟翼（如有的话）相连的位置；后梁在能与操纵面相连的位置。,20,从受力合理看： (1)梁最好能纵贯全翼展，且轴线尽量不折转； (2)尽可能布置在结构高度较大的部位； (3)沿展向最好按弦长等百分比线布置。,翼肋的布置,翼肋的布置 数量：翼肋间距可按蒙皮格子的临界应力的大小确定，也可按桁条总体和局部失稳临界应力相等的要求确定。,统计结果显示，机翼的肋间距有以下规律,21,加强翼肋应根据结构安排和连接点集中力大小来布置。,翼肋的布置,EF2000,22,顺流布置的优点维持机翼剖面形状较好；相同翼肋间距下，数量要少等等。 顺流布置的缺点翼肋长度增加；缘条扭曲；蒙皮受剪稳,翼肋的布置,定性差；结构质量重；与梁、桁条连接工艺复杂等等。 顺流布置的应用一般用于平直翼、三角翼，以及机翼蒙皮较厚，翼肋对蒙皮支持作用较小，或机翼局部区域。,23,桁条的布置 数量：桁条的间距根据蒙皮失稳临界应力来定确定。,正交布置的优点、缺点与顺流肋恰好相反。 在现代后掠机翼上，正交布置采用得较多。,桁条的布置,统计结果表明