結(jié)構(gòu)設計(第1章 緒論)

1、,飛機結(jié)構(gòu)設計,一、本課程的特點 注重基礎理論概念的實用化、感性化以及工程化 注重綜合運用知識概念權(quán)衡復雜問題分析，抓住主要矛盾尋找解決問題途徑的基本設計理念 大量工程結(jié)構(gòu)實例的剖析 注重培養(yǎng)自行分析、動手設計的主觀能力以及工程實用化的實踐能力,具體要求： 注意定性分析，要求概念清楚； 實踐性強，要求常去機庫觀察實物； 理性推理較差，要求認真上課。,二、基本內(nèi)容和基本要求 內(nèi)容： 飛機的外載荷 不同類型飛機結(jié)構(gòu)的分析； 飛機結(jié)構(gòu)的傳力分析； 飛機結(jié)構(gòu)分析與設計基礎； 飛機結(jié)構(gòu)主要元構(gòu)件設計原則；,內(nèi)容要求： 掌握飛機結(jié)構(gòu)分析和設計的基本手段-傳力分析； 能夠正確解釋飛機結(jié)構(gòu)元件的布置； 能夠正

2、確地分析和設計飛機結(jié)構(gòu)的主要元件,本章內(nèi)容 1.1 飛機的研制過程 1.2 飛機結(jié)構(gòu)設計的原始條件 1.3 飛機結(jié)構(gòu)設計的基本要求 1.4 飛機結(jié)構(gòu)設計的現(xiàn)代理論與先進技術(shù) 1.5 飛機結(jié)構(gòu)設計的內(nèi)容與方法,1.1 飛機的研制過程,一、飛機的功用與對飛機的要求 1.功用： 有效的戰(zhàn)斗武器（空戰(zhàn)、攔截、攻擊、偵察、 預警、運輸） 空中運輸設備（載荷、運貨、農(nóng)林、賑災、救護、 勘察、運動） 2.要求：技、戰(zhàn)術(shù)性能指標能滿足所需完成的任務。,軍用飛機的技、戰(zhàn)術(shù)要求： 飛機的最大速度；升限；航程/最大作戰(zhàn)半徑； 起、降滑跑距離；載重；機動性指標（加力性能，盤旋半徑，爬升性能，最大允許過載系數(shù)）；隱身；

3、維護與保障性能；使用壽命；可靠性與安全性能。 民用飛機使用技術(shù)要求： 有效載重；航程；安全性、可靠性、維修性、經(jīng)濟性。 3、飛機工作的最大特性： 反復、長期使用。,二、飛機的研制過程,1. 技術(shù)性能論證與制定（頂層設計）過程 依據(jù)： 軍事戰(zhàn)略方針及戰(zhàn)術(shù)（戰(zhàn)略防御）要求； 商務策略，工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，賑災救護等要求； 制定： 主要性能指標； 主要使用條件； 機載設備等。 效能分析、 費效分析,2.飛機設計過程,(1) 總體設計： 氣動外形布局設計；飛行力學性能設計； 機載設備（包括燃油）布置等重量分布設計； 發(fā)動機選型設計；結(jié)構(gòu)總體尺寸設計。 (2) 結(jié)構(gòu)設計： 理論設計（打樣設計）； 強度、剛度設

4、計； 細節(jié)設計； 工程繪圖。,飛機結(jié)構(gòu)設計的地位,結(jié)構(gòu)設計的任務： 根據(jù)飛機型號設計技術(shù)要求、飛機三面圖、總體布置圖、外形圖和規(guī)定的載荷情況、環(huán)境情況、使用方法，結(jié)合結(jié)構(gòu)設計基本要求，設計出合乎使用要求且強度、剛度、疲勞、損傷容限品質(zhì)合格，工藝性良好，滿足重量的機體結(jié)構(gòu)，為試制和批生產(chǎn)提供全套的圖樣和技術(shù)文件。 應當注意設計階段的規(guī)律： 反復、循環(huán)、迭代、反饋；綜合性、權(quán)衡性,3. 飛機制造過程 工藝設計、機械加工、部件/全機裝配 4. 飛機的試飛、定型過程 地面滑跑試驗；起、降性能試驗； 飛行包線中各飛行科目試飛試驗； 定型：有待結(jié)構(gòu)的靜力及疲勞試驗完成后， 沒問題才定型,三、飛機研制過程概

5、述,1、設計的內(nèi)涵： 創(chuàng)造性的思維過程； 全面綜合的辨證過程(矛盾分析、抓主要矛盾) 設計的不唯一性； 設計的反復性； 設計的繼承性； 設計與科學實驗的關(guān)系。,2、飛機設計的主要階段：, 總體設計階段； 飛機結(jié)構(gòu)的打樣設計： 結(jié)構(gòu)受力形式選擇、受力構(gòu)件布置、開口布置、 分離面及其連接形式設計。 飛機結(jié)構(gòu)的詳細設計 結(jié)構(gòu)件連接設計、細節(jié)設計、工程制圖。 新機研制中結(jié)構(gòu)設計的一般過程（見下頁）,結(jié)構(gòu)設計的一般過程,總體研制方案論證 初步設計 詳細設計 試制與試驗 試飛與設計定型 小批生產(chǎn)與生產(chǎn)定型 批生產(chǎn),1.2 飛機結(jié)構(gòu)設計的原始條件,一、結(jié)構(gòu)設計的主要依據(jù)： 使用方提出的戰(zhàn)技要求或使用技術(shù)要求

6、 飛機三面圖及理論外形圖 飛機總體布置圖 重量指標分配及總重量 使用壽命要求 載荷和使用環(huán)境條件 維修性要求 生產(chǎn)條件和工藝性要求 其它有關(guān)設計準則、規(guī)范和標準,二、原始條件 1、飛機結(jié)構(gòu)的外載特征以及對結(jié)構(gòu)承載的要求 外載的形式(集中的、分布的、沖擊型的、周期型、熱的等)； 外載的歷程特征(不同的飛行，載荷的變化規(guī)律)； 外載對結(jié)構(gòu)的作用效應（抖振、顫振）； 結(jié)構(gòu)承載的強度、剛度(靜、動、熱、整體的、局部的)要求； 結(jié)構(gòu)壽命要求；損傷容限要求； 經(jīng)濟性要求(生產(chǎn)/維修成本)。,2、飛機結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)關(guān)系 各部件的相對位置以及相互間連接交點的位置（不能改動）； 零、構(gòu)件之間在連接尺寸上的協(xié)調(diào)關(guān)系；

7、 各構(gòu)件間或構(gòu)件與內(nèi)部裝載間的位置、形狀協(xié)調(diào)； 部件或組件結(jié)構(gòu)的外邊界一般與飛機的理論外形相協(xié)調(diào)； 其內(nèi)部邊界可能需與某個內(nèi)部裝載協(xié)調(diào)，也可能不需協(xié)調(diào)。,3、結(jié)構(gòu)的使用條件 （1）環(huán)境條件： 指氣象條件或周圍介質(zhì)條件（溫度、濕度、腐 蝕、 有害介質(zhì)等）。 （2）起降場所條件： 水、陸兩棲；陸地：水泥、土跑道。 （3）維修條件： 外場維修；場站或基地維修。,4、生產(chǎn)條件 （1）工藝條件（熱加工、冷加工、少量或批量，加工 精度與性能的保障性） （2）加工能力（小量或大批量，加工精度與加工性能） （3）裝配能力（裝配精度、裝配量大?。?（4）生產(chǎn)能力（產(chǎn)量） （5）生產(chǎn)質(zhì)量保障體系（技術(shù)與管理）,三

8、、結(jié)構(gòu)設計必須遵循的設計準則,靜強度設計準則 剛度設計準則 熱強度設計準則 疲勞、耐久性設計準則 損傷容限設計準則 氣動彈性設計準則 動強度設計準則,動載/剛度-有氣動彈性要求的地方，如：操縱面、翼尖 靜載/強度-飛機中所有的元件，如加強肋、接頭等 靜載/剛度-有變形要求的地方，如：普通肋、機翼后緣、機械操縱系統(tǒng),1.3 飛機結(jié)構(gòu)設計的基本要求,一、基本要求 近代飛機結(jié)構(gòu)追求的目標是： 高結(jié)構(gòu)效率（重量輕)、高可靠性、高壽命、高維修性和低壽命費用，以實現(xiàn)高的效費比。具體講結(jié)構(gòu)設計應貫徹下列要求：,強度、剛度要求 疲勞、耐久性要求 損傷容限要求 維修性要求 適航性要求 合理選材 工藝性要求 低成

9、本設計要求 重量要求 防雷擊要求 抗腐蝕要求,一、基本要求,二、基本要求概述（約束條件，邊界條件）,1、氣動外形要求 在結(jié)構(gòu)設計中，與外邊界相關(guān)的結(jié)構(gòu)（框架結(jié)構(gòu)與蒙皮）要保證理論氣動外形的剛度（整體或局部的）以及光潔度（阻力及其他熱效應），強度問題應當是首先保證的。,、重量要求 應當體會到重量設計是在滿足各種結(jié)構(gòu)性能指標的前提下，使重量最輕。從優(yōu)化數(shù)學語言，在滿足各種性能指標約束下，使重量目標函數(shù)最小。實際工程設計中，僅為滿意解（總體設計分解到各結(jié)構(gòu)上的重量指標）,、使用維修要求 結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的安全可靠工作需要定期地檢修維護來保障，良好的維修性、保障性是工程設計的主要因素。具體來說，合理地布置分

10、離面及各種開口，結(jié)構(gòu)內(nèi)部安排必要的檢查維修通道，增加結(jié)構(gòu)的開敞性和可達性。 、工藝要求 良好的工藝性設計是保證加工、裝配合理精度及性能的前提。,、成本要求（經(jīng)濟性） 飛機的主要成本：設計、研制、制造和運營。 對軍機而言，成本不應當是第一要求，重量與性能是第一位的。對民用客機，成本是第一要求。 一般說，氣動性能、使用要求是“前提性”要求，氣動外形、結(jié)構(gòu)與強、剛度設計技術(shù)是“前提”技術(shù)。 技術(shù)要求與技術(shù)性能是互相聯(lián)系、互相制約的，有的甚至是相互矛盾的，應當在一個好的設計素質(zhì)基礎上，把握主要矛盾，綜合考慮，權(quán)衡處理。,三、飛機結(jié)構(gòu)設計思想的演變發(fā)展四個階段,1、靜強度設計階段 靜強度設計可追溯到18

11、世紀伽利略時代，材料力學是伽利略時代破壞力學思維的延伸。 上個世紀2030年代，飛機業(yè)的發(fā)展形成了系統(tǒng)的設計原則。飛機結(jié)構(gòu)設計的靜強度設計準則是一種極限載荷（破壞載荷即極限承載能力）設計準則，即：,設計載荷為使用載荷乘以安全系數(shù)， 破壞載荷應大于等于結(jié)構(gòu)設計載荷： 或 - 設計載荷 - 使用載荷 - 極限載荷 - 安全系數(shù),2、靜、動強度設計階段 動強度設計問題是結(jié)構(gòu)（特別是薄壁結(jié)構(gòu)）受到?jīng)_擊干擾后，激勵振動導致的結(jié)構(gòu)破壞問題（或稱氣動彈性問題），可導致翼面振動發(fā)散、操縱面反效等問題。 設計準則可表現(xiàn)為： - 最大飛行速度 - 設計速度 - 氣動彈性臨界速度 - 顫振速度、機翼發(fā)散速度與副翼失

12、效速度,疲分設汁一般有下述幾種方法： (1) 無限壽命設計 它以無限長壽命作入疲勞設計判據(jù)，要求結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的設計應力水平低于有關(guān)的疲勞極限應力。疲勞極限應力通常是由試驗確定的。在應力壽命(S-N)曲線上，它一般是某規(guī)定的足夠長的循環(huán)壽命(如10e7次)所對放的應力水平。 對于需要經(jīng)歷這樣長壽命循環(huán)的零構(gòu)件，例如發(fā)動機氣缸閥門彈簧，長期頻繁運行的鐵路車輛輪軸等，這種無限壽命設計仍然是一種簡單而合理的方法。,(2) 安全壽命設計 有許多構(gòu)件在使用中只經(jīng)受幾萬到幾十萬次載荷循環(huán)，或構(gòu)件通常在低應力水平下工作，這樣，再用無限壽命設汁(意味著設計應力低)就不合理了。按照有限壽命要求進行的疲勞設計，工程中

13、稱為安全壽命設計，即所設計的構(gòu)件具有足夠安全的設計壽命。當然考慮到疲勞載荷的分散性及其它因素，安全壽命設計應當具有足夠的安全儲備。,(3) 破損安全設計 破損安全設計是70年代初由英國空軍發(fā)展起來的。飛機結(jié)構(gòu)通常不允許有很大的安全系數(shù)，因為安全系數(shù)大將增加不必要的重量。同時還認識到由于裂紋的存在，安全壽命設計并不能完全確保安全。因此，采用下述疲勞設計準則；即允許構(gòu)件帶疲勞裂紋使用，但保證在這些疲勞裂紋被檢查出來并進行維修或更換之前，不會因裂紋而導致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。這就是所謂破損安全設計。 其設計要點是：有多余的載荷傳遞路線；發(fā)生局部開裂后結(jié)構(gòu)仍有必要的剩余強度。這種設計常常采用多路傳力系統(tǒng)或在結(jié)

14、構(gòu)中布置分段止裂件，以達到破損安全的目的。,(4) 損傷容限設計 這種方法是對破損安全設計的進一步改進。在損傷容限設計中，假定構(gòu)件中存在著裂紋(由制造加工或疲勞形成)，但在周期性檢查肯定能發(fā)現(xiàn)之前，這些裂紋是否會擴展到足以引起疲勞破壞的尺寸。為了保證所容許的裂紋在檢查周期內(nèi)不會擴展到引起結(jié)構(gòu)破壞，構(gòu)件往往要采用裂紋擴展緩慢且斷裂韌性較高的材料制造。 美國空軍已經(jīng)制定了損傷容限規(guī)范。我園航空工業(yè)部也于1985年出版了飛機結(jié)構(gòu)損傷容限設計指南。,(5) 耐久性設計 耐久性設計與損傷容限設計的差別在于：損傷容限設計注意的是保證飛機結(jié)構(gòu)的安全性，著重分析那些情況最危險，尺寸相對較大的裂紋，防止它們在使

15、用中擴展到其臨界裂紋長度而引起破壞； 而耐久性設計注意的是保證結(jié)構(gòu)的功能且具有足夠的經(jīng)濟壽命，著重于用統(tǒng)計方法分析大量的、尺寸相對較小的初始裂紋，考查并控制這些裂紋在使用中可能會擴展到大于經(jīng)濟修理裂紋尺寸的百分率。結(jié)構(gòu)使用到某一壽命時，發(fā)生了不能經(jīng)濟地修理的廣布損傷，而不修理又可能引起結(jié)構(gòu)的功能性問題，則這一壽命一般就定義為“經(jīng)濟壽命”。這種分析方法力圖確定在不同使用時刻下結(jié)構(gòu)中的裂紋尺寸分布。,3、靜、動強度，疲勞安全壽命設計階段 50年代，飛機業(yè)受二戰(zhàn)的刺激，得到了迅速發(fā)展，但發(fā)生了始料未及的破壞現(xiàn)象，疲勞破壞?，F(xiàn)代也發(fā)現(xiàn)噪音等環(huán)境也能引起疲勞破壞，當時飛機發(fā)展的幾點特征： 飛機的使用壽命

16、延長了； 飛機的技、戰(zhàn)術(shù)性能提高了； 高強度材料的采用； 飛機結(jié)構(gòu)強度儲備下降； 工業(yè)技術(shù)提高了生產(chǎn)率。,經(jīng)歷挫折與失敗后，設計師們發(fā)現(xiàn)需提出安全壽命要求 - 使用壽命 - 安全壽命 - 試驗壽命 - 分散系數(shù)（一般取4） 上述設計準則主要依靠試驗來保證，我國當前的一些飛機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件仍依此設計。 現(xiàn)代軍機的使用壽命要求60008000飛行小時，民機3000060000飛行小時。,4、靜、動強度，使用壽命，損傷容限和耐久性（包括 經(jīng)濟壽命）設計階段 安全使用壽命設計并不能絕對保證安全。發(fā)現(xiàn) 破壞后的斷口，疲勞裂紋已經(jīng)很長了，于是提出破 損安全與損傷容限設計，科學地預測裂紋允許長度以 及結(jié)構(gòu)破損后

17、的安全特性，而且增加了檢修性設計。 損傷容限設計概念要求損傷在規(guī)定的未修使用期內(nèi)的增長控制在一定范圍內(nèi)，受損結(jié)構(gòu)滿足規(guī)定的剩余強度要求。,設計準則分別為： （1）破損安全結(jié)構(gòu)（某個元件破損后，殘余結(jié)構(gòu)仍 能受載，即元件破損，結(jié)構(gòu)安全） - 破損安全剩余強度系數(shù) H - 檢查間隔期限 (2) 緩慢裂紋擴展結(jié)構(gòu)（適用于不可檢測處結(jié)構(gòu)， 要求在整個使用壽命期內(nèi)，裂紋不會達到臨界 裂紋長度,耐久性設計準則： - 經(jīng)濟壽命 - 耐久性試驗壽命 - 分散系數(shù)（一般取2） 經(jīng)濟壽命：出現(xiàn)某種損傷使進行修復反而是不經(jīng)濟的時限。,5、結(jié)構(gòu)可靠性設計階段 - 結(jié)構(gòu)體系可靠度 i - 分別對應于靜強度、動強度、損傷

18、容限、壽命等情況。 目前一般按靜強度、動強度、損傷容限/耐久性（或疲勞/損傷容限設計）準則設計后，進行可靠性分析評估。,從美國軍用飛機規(guī)范看設計思想的演變,1.4 飛機結(jié)構(gòu)設計的現(xiàn)代理論與先進技術(shù) 現(xiàn)代設計理論包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、結(jié)構(gòu)抗疲勞設計、結(jié)構(gòu)防斷裂設計和結(jié)構(gòu)可靠性設計 先進設計技術(shù)主要包括計算機結(jié)構(gòu)輔助分析（CAE）和計算機輔助設計（CAD）,結(jié)構(gòu)有限元分析以及在飛機結(jié)構(gòu)設計中的應用 結(jié)構(gòu)設計中應力和變形分析十分重要 它是分析和評估結(jié)構(gòu)承載能力、使用壽命、可靠性和進行優(yōu)化設計的基礎 又是修改設計和制定試驗方案的依據(jù) 特別對按疲勞、損傷容限設計的關(guān)鍵件，其應力和變形的分析精度要求更高，需要有合適的模型和計算方法才能