結構設計(第1章 緒論)

1、飛機結構設計第一章第一章 緒緒 論論授課內容授課內容課時課時第一章第一章 緒論緒論 2 2第二章第二章 飛機的外飛機的外載荷與設計規(guī)范載荷與設計規(guī)范7 71 1第三章第三章 翼面結構翼面結構和機身結構分析和機身結構分析16162 2第四章第四章 飛機結構飛機結構設計基礎設計基礎6 6第五章第五章 機翼、尾機翼、尾翼設計翼設計1010第六章第六章 機身及開機身及開口區(qū)結構設計口區(qū)結構設計8 8第一章第一章 緒緒 論論一、本課程的特點一、本課程的特點n 注重基礎理論概念的實用化、感性化以及工程化注重基礎理論概念的實用化、感性化以及工程化n 注重綜合運用知識概念權衡復雜問題分析，抓住注重綜合運用知識

2、概念權衡復雜問題分析，抓住主要矛盾尋找解決問題途徑的基本設計理念主要矛盾尋找解決問題途徑的基本設計理念n 大量工程結構實例的剖析大量工程結構實例的剖析n 注重培養(yǎng)自行分析、動手設計的主觀能力以及工注重培養(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程實用化的實踐能力第一章第一章 緒緒 論論具體要求：具體要求：n 注意定性分析，要求概念清楚；注意定性分析，要求概念清楚；n 實踐性強，要求常去機庫觀察實物；實踐性強，要求常去機庫觀察實物；n 理性推理較差，要求認真上課。理性推理較差，要求認真上課。第一章第一章 緒緒 論論二、基本內容和基本要求二、基本內容和基本要求內容：內容：n 飛機的外載

3、荷飛機的外載荷n 不同類型飛機結構的分析；不同類型飛機結構的分析；n 飛機結構的傳力分析；飛機結構的傳力分析；n 飛機結構分析與設計基礎；飛機結構分析與設計基礎；n 飛機結構主要元構件設計原則；飛機結構主要元構件設計原則；第一章第一章 緒緒 論論內容要求：內容要求： 掌握飛機結構分析和設計的基本手段掌握飛機結構分析和設計的基本手段-傳力分析；傳力分析； 能夠正確解釋飛機結構元件的布置；能夠正確解釋飛機結構元件的布置；能夠正確地分析和設計飛機結構的主要元件能夠正確地分析和設計飛機結構的主要元件 本章內容 1.1 1.1 飛機的研制過程飛機的研制過程 1.2 1.2 飛機結構設計的原始條件飛機結構

4、設計的原始條件 1.3 1.3 飛機結構設計的基本要求飛機結構設計的基本要求 1.4 1.4 飛機結構設計的現代理論與先進技術飛機結構設計的現代理論與先進技術 1.5 1.5 飛機結構設計的內容與方法飛機結構設計的內容與方法第一章第一章 緒緒 論論1.1 飛機的研制過程 一、飛機的功用與對飛機的要求 1.1.功用：功用： 有效的戰(zhàn)斗武器（空戰(zhàn)、攔截、攻擊、偵察、有效的戰(zhàn)斗武器（空戰(zhàn)、攔截、攻擊、偵察、 預警、運輸）預警、運輸） 空中運輸設備（載荷、運貨、農林、賑災、救護、空中運輸設備（載荷、運貨、農林、賑災、救護、 勘察、運動）勘察、運動） 2.2.要求：要求：技、戰(zhàn)術性能指標能滿足所需完成的

5、任務。技、戰(zhàn)術性能指標能滿足所需完成的任務。第一章第一章 緒緒 論論 軍用飛機的技、戰(zhàn)術要求：軍用飛機的技、戰(zhàn)術要求：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）；隱身；維護與保障性能；使用壽命；可靠性與安全性能。民用飛機使用技術要求：民用飛機使用技術要求：有效載重；航程；安全性、可靠性、維修性、經濟性。3、飛機工作的最大特性：反復、長期使用。第一章第一章 緒緒 論論二、飛機的研制過程1. 技術性能論證與制定（頂層設計）過程依據：依據：軍事戰(zhàn)略方針及戰(zhàn)術（戰(zhàn)略防御）要求；軍事戰(zhàn)略方針及戰(zhàn)術（戰(zhàn)略防御）要求； 商務策

6、略，工、農業(yè)生產，賑災救護等要求；商務策略，工、農業(yè)生產，賑災救護等要求；制定：制定：主要性能指標；主要性能指標； 主要使用條件；主要使用條件； 機載設備等。機載設備等。效能分析、效能分析、 費效分析費效分析第一章第一章 緒緒 論論2.飛機設計過程 (1) (1) 總體設計：總體設計：氣動外形布局設計；飛行力學性能設計；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；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；結構總體尺寸設計。發(fā)動機選型設計；結構總體尺寸設計。 (2) (2) 結構設計：結構設計： 理論設計（打樣設計）；理論設計（打樣設計）； 強度

7、、剛度設計；強度、剛度設計； 細節(jié)設計；細節(jié)設計； 工程繪圖。工程繪圖。第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論飛機結構設計的地位飛機結構設計的地位第一章第一章 緒緒 論論 結構設計的任務結構設計的任務：根據飛機型號設計技術要求、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，結合結構設計基本要求，設計出合乎使用要求且強度、剛度、疲勞、損傷容限品質合格，工藝性良好，滿足重量的機體結構，為試制和批生產提供全套的圖樣和技術文件。應當注意設計階段的規(guī)律：應當注意設計階段的規(guī)律：反復、循環(huán)、迭代、反饋；綜合性、權衡性第一章第一章 緒緒 論論3. 飛機制造過程工藝設計、機械加

8、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：有待結構的靜力及疲勞試驗完成后，沒問題才定型第一章第一章 緒緒 論論三、飛機研制過程概述 1、設計的內涵：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系。第一章第一章 緒緒 論論2、飛機設計的主要階段： 總體設計階段；飛機結構的打樣設計：結構受力形式選擇、受力構件布置、開口布置、分離面及其連接形式設計。飛機結構的詳細設計結構件連接設計、細節(jié)設計、工程制圖。新機研制中結構設計的一般過程（見下頁）第一章第一章

9、 緒緒 論論結構設計的一般過程l總體研制方案論證l初步設計l詳細設計l試制與試驗l試飛與設計定型l小批生產與生產定型l批生產第一章第一章 緒緒 論論1.2 飛機結構設計的原始條件 一、結構設計的主要依據：l使用方提出的戰(zhàn)技要求或使用技術要求l飛機三面圖及理論外形圖l飛機總體布置圖l重量指標分配及總重量l使用壽命要求l載荷和使用環(huán)境條件l維修性要求l生產條件和工藝性要求其它有關設計準則、規(guī)范和標準第一章第一章 緒緒 論論二、原始條件1、飛機結構的外載特征以及對結構承載的要求l外載的形式(集中的、分布的、沖擊型的、周期型、熱的等)；l外載的歷程特征(不同的飛行，載荷的變化規(guī)律)；l外載對結構的作用

10、效應（抖振、顫振）；l結構承載的強度、剛度(靜、動、熱、整體的、局部的)要求；l結構壽命要求；損傷容限要求；經濟性要求(生產/維修成本)。第一章第一章 緒緒 論論2、飛機結構的協調關系l各部件的相對位置以及相互間連接交點的位置（不能改動）；l零、構件之間在連接尺寸上的協調關系；l各構件間或構件與內部裝載間的位置、形狀協調；l部件或組件結構的外邊界一般與飛機的理論外形相協調；其內部邊界可能需與某個內部裝載協調，也可能不需協調。 第一章第一章 緒緒 論論3、結構的使用條件（1）環(huán)境條件：指氣象條件或周圍介質條件（溫度、濕度、腐蝕、有害介質等）。（2）起降場所條件：水、陸兩棲；陸地：水泥、土跑道。（

11、3）維修條件：外場維修；場站或基地維修。第一章第一章 緒緒 論論4、生產條件（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?。?）生產能力（產量）（5）生產質量保障體系（技術與管理）第一章第一章 緒緒 論論三、結構設計必須遵循的設計準則 l靜強度設計準則l剛度設計準則l熱強度設計準則l疲勞、耐久性設計準則l損傷容限設計準則l氣動彈性設計準則l動強度設計準則第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論1.3 飛機結構設計的基本要求一、基本要求 近代飛機結構追求的

12、目標是： 高結構效率（重量輕)、高可靠性、高壽命、高維修性和低壽命費用，以實現高的效費比。具體講結構設計應貫徹下列要求：第一章第一章 緒緒 論論l強度、剛度要求l疲勞、耐久性要求l損傷容限要求l維修性要求l適航性要求l合理選材l工藝性要求l低成本設計要求l重量要求l防雷擊要求l抗腐蝕要求一、基本要求第一章第一章 緒緒 論論二、基本要求概述（約束條件，邊界條件） 1、氣動外形要求在結構設計中，與外邊界相關的結構（框架結構與蒙皮）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。第一章第一章 緒緒 論論、重量要求 應當體會到重量設計是在滿足各種結構性

13、能指標的前提下，使重量最輕。從優(yōu)化數學語言，在滿足各種性能指標約束下，使重量目標函數最小。實際工程設計中，僅為滿意解（總體設計分解到各結構上的重量指標） 第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論、使用維修要求結構與系統(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，合理地布置分離面及各種開口，結構內部安排必要的檢查維修通道，增加結構的開敞性和可達性。、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。第一章第一章 緒緒 論論、成本要求（經濟性）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

14、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、結構與強、剛度設計技術是“前提”技術。 技術要求與技術性能是互相聯系、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基礎上，把握主要矛盾，綜合考慮，權衡處理。第一章第一章 緒緒 論論三、飛機結構設計思想的演變發(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。飛機結構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：第一章第一章 緒緒 論論設計載荷為使用載

15、荷乘以安全系數，破壞載荷應大于等于結構設計載荷：或-設計載荷-使用載荷-極限載荷-安全系數edPfPduPPdudPePuPf第一章第一章 緒緒 論論2、靜、動強度設計階段動強度設計問題是結構（特別是薄壁結構）受到沖擊干擾后，激勵振動導致的結構破壞問題（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)散速度與副翼失效速度maxdcrVVV),(aassffcrVfVfVfMaxVdVcrVasfVVV,maxV第一章第一章 緒緒 論論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

16、據，要求結構或構件的設計應力水平低于有關的疲勞極限應力。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。對于需要經歷這樣長壽命循環(huán)的零構件，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。第一章第一章 緒緒 論論(2)安全壽命設計有許多構件在使用中只經受幾萬到幾十萬次載荷循環(huán)，或構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，工程中稱為安全壽命設計，即所設計的構件具有足夠安全的設計壽命。當然考慮到疲勞載

17、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。第一章第一章 緒緒 論論(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。飛機結構通常不允許有很大的安全系數，因為安全系數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構發(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)生局部開裂后結構仍有必要的剩余強度。這種設計常常采用多路傳力系統(tǒng)或在結構中布置分段止裂件，以達到破損安全的目的。第一章第一章

18、緒緒 論論(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不會擴展到引起結構破壞，構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年出版了飛機結構損傷容限設計指南。第一章第一章 緒緒 論論(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構的安全性，著重分析那些情況最危險，尺寸相對較大的裂紋，防止它們在使用中擴展到其臨界裂紋長

19、度而引起破壞；而耐久性設計注意的是保證結構的功能且具有足夠的經濟壽命，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濟修理裂紋尺寸的百分率。結構使用到某一壽命時，發(fā)生了不能經濟地修理的廣布損傷，而不修理又可能引起結構的功能性問題，則這一壽命一般就定義為“經濟壽命”。這種分析方法力圖確定在不同使用時刻下結構中的裂紋尺寸分布。第一章第一章 緒緒 論論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象，疲勞破壞。現代也發(fā)現噪音等環(huán)境也能引起疲勞破壞，當時飛機發(fā)展的幾點特征：飛機的使用壽命延長

20、了；飛機的技、戰(zhàn)術性能提高了；高強度材料的采用；飛機結構強度儲備下降；工業(yè)技術提高了生產率。第一章第一章 緒緒 論論經歷挫折與失敗后，設計師們發(fā)現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（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鍵結構件仍依此設計。現代軍機的使用壽命要求60008000飛行小時，民機3000060000飛行小時。fexsaenNNN/eNsaNexNfn第一章第一章 緒緒 論論4、靜、動強度，使用壽命，損傷容限和耐久性（包括 經濟壽命）設計階段安全使用壽命設計并不能絕對保證安全。發(fā)現 破壞后的斷口，疲勞裂紋已經很長了，于是提出破 損安全與

21、損傷容限設計，科學地預測裂紋允許長度以 及結構破損后的安全特性，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)定的未修使用期內的增長控制在一定范圍內，受損結構滿足規(guī)定的剩余強度要求。第一章第一章 緒緒 論論 設計準則分別為：（1）破損安全結構（某個元件破損后，殘余結構仍 能受載，即元件破損，結構安全）- 破損安全剩余強度系數H-檢查間隔期限(2)緩慢裂紋擴展結構（適用于不可檢測處結構，要求在整個使用壽命期內，裂紋不會達到臨界裂紋長度fdefa/faHNfaex4eaaNNcr0 耐久性設計準則：-經濟壽命-耐久性試驗壽命-分散系數（一般取2）經濟壽命：出現某種損傷使進行修復反而是不經濟的

22、時限。nNNNenexeec/ecNenexNn第一章第一章 緒緒 論論 5、結構可靠性設計階段-結構體系可靠度i-分別對應于靜強度、動強度、損傷容限、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。*,s is iRRsR第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論從美國軍用飛機規(guī)范看設計思想的演變從美國軍用飛機規(guī)范看設計思想的演變第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論1.4 飛機結構設計的現代理論與先進技術飛機結構設計的現代理論與先進技術n 現代設計理論包括結構優(yōu)化設計、結構現代設計理論包括

23、結構優(yōu)化設計、結構抗疲勞設計、結構防斷裂設計和結構可靠抗疲勞設計、結構防斷裂設計和結構可靠性設計性設計n 先進設計技術主要包括計算機結構輔助先進設計技術主要包括計算機結構輔助分析（分析（CAE）和計算機輔助設計（）和計算機輔助設計（CAD）第一章第一章 緒緒 論論結構有限元分析以及在飛機結構設計中的應用結構有限元分析以及在飛機結構設計中的應用結構設計中應力和變形分析十分重要結構設計中應力和變形分析十分重要n 它是分析和評估結構承載能力、使用壽命、可靠它是分析和評估結構承載能力、使用壽命、可靠性和進行優(yōu)化設計的基礎性和進行優(yōu)化設計的基礎n 又是修改設計和制定試驗方案的依據又是修改設計和制定試驗方