飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(第1章緒論)2014

1、飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主講教師：趙剛要主講教師：趙剛要2一、授課課時(shí)安排一、授課課時(shí)安排授課內(nèi)容授課內(nèi)容課時(shí)課時(shí)第一章、第一章、緒緒 論論 4 4第二章、飛機(jī)的外載荷第二章、飛機(jī)的外載荷6 6第三章、現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第三章、現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1010第四章、機(jī)翼、尾翼設(shè)計(jì)第四章、機(jī)翼、尾翼設(shè)計(jì)1212第五章、機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第五章、機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8 8飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論1909年馮如第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論飛機(jī)的發(fā)展歷程：1903萊特兄弟制造的飛機(jī)二戰(zhàn)以前：活塞發(fā)動(dòng)機(jī)特性：高度、速度、機(jī) 動(dòng)、火力第一代：高亞音速或低 超

2、音速范圍， 武器和電子設(shè) 備較簡單代 表： F-86和Mig15第二代：飛機(jī)的武器和 電子設(shè)備有所 加強(qiáng) 代 表： F-4和Mig21第一章第一章 緒緒 論論飛機(jī)的發(fā)展歷程：第三代：高亞音速或低 超音速范圍， 武器和電子設(shè) 備較簡單代 表： F-16和Mig29ol飛機(jī)的發(fā)展歷程：第一章第一章 緒緒 論論第四代： 發(fā)動(dòng)機(jī)在不開加 力時(shí)具有超音速 巡航的能力； 良好的隱身性能； 高敏捷性和機(jī)動(dòng) 性特別是過失速 機(jī)動(dòng)能力； 短距起落性能； 目視格斗、超視 距攻擊和對地攻 擊的能力； 高可靠性和維護(hù) 性；代 表： F-22第一章第一章 緒緒 論論1.1 飛機(jī)的研制過程 一、飛機(jī)的功用與對飛機(jī)的要求

3、1.功用：有效的戰(zhàn)斗武器（空戰(zhàn)、攔截、攻擊、偵察、 預(yù)警、運(yùn)輸） 空中運(yùn)輸設(shè)備（載荷、運(yùn)貨、農(nóng)林、賑災(zāi)、救 護(hù)、勘察、運(yùn)動(dòng)） 2.要求：技、戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)能滿足所需完成的任務(wù)。第一章第一章 緒緒 論論 飛機(jī)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(jī)動(dòng)性指標(biāo)（加力性能，盤旋半徑，爬升性能，最大允許過載系數(shù)）；隱身；維護(hù)與保障性能；使用壽命；可靠性與安全性能。第一章第一章 緒緒 論論1）軍用飛機(jī)的技、戰(zhàn)術(shù)要求：）軍用飛機(jī)的技、戰(zhàn)術(shù)要求：軍機(jī)的技、戰(zhàn)術(shù)要求（例）第一章第一章 緒緒 論論最大起飛重量：19277 Kg最大使用過載：7G（持續(xù)）/ 10G瞬時(shí)最大飛行速度：2.0Ma最大

4、載彈量：7000 Kg作戰(zhàn)半徑：1600Km最大航程：3000Km最大升限：18000mJ10 戰(zhàn)機(jī)軍機(jī)的技、戰(zhàn)術(shù)要求（例）第一章第一章 緒緒 論論最大起飛重量：27216 Kg最大使用過載：9G（眼鏡蛇 機(jī)動(dòng)）最大飛行速度：1.8Ma最大載彈量：7000 Kg作戰(zhàn)半徑：2170Km超音速巡航：1.5Ma實(shí)用升限：18000mF22 戰(zhàn)機(jī)隱身技術(shù)、超音速巡航、過失速機(jī)動(dòng)、推隱身技術(shù)、超音速巡航、過失速機(jī)動(dòng)、推力矢量控制、近距離起落和良好的維修性力矢量控制、近距離起落和良好的維修性軍用運(yùn)輸機(jī)的技、戰(zhàn)術(shù)要求（例）第一章第一章 緒緒 論論最大起飛重量：265352 Kg巡航速度：0.77Ma（853

5、5m）最大載量：77292 Kg最大航程：4630KmC-17 空中霸王低空巡航速度：648Km/h大型、隱身技術(shù)、超音速大型、隱身技術(shù)、超音速2）民用飛機(jī)使用技術(shù)要求：）民用飛機(jī)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(jì)性。第一章第一章 緒緒 論論大型、超音速、大航程大型、超音速、大航程最大起飛重量：560000 Kg巡航速度：0.89Ma最大載量：90800 Kg最大航程：15100KmA380升限：13100m3 3、飛機(jī)工作的最大特性：、飛機(jī)工作的最大特性：反復(fù)、長期使用。第一章第一章 緒緒 論論二、飛機(jī)的研制過程第一章第一章 緒緒 論論l4個(gè)階段 技術(shù)性能論證與制定

6、過程 飛機(jī)設(shè)計(jì)過程 飛機(jī)的試飛、定型過程 飛機(jī)制造過程總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)1. 技術(shù)性能論證與制定（頂層設(shè)計(jì)）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(wù)策略，工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，賑災(zāi)救護(hù)等要求；制定：主要性能指標(biāo)； 主要使用條件；機(jī)載設(shè)備等。效能分析、 費(fèi)效分析第一章第一章 緒緒 論論2.飛機(jī)設(shè)計(jì)過程 (1) 總體設(shè)計(jì)：氣動(dòng)外形布局設(shè)計(jì)；飛行力學(xué)性能設(shè)計(jì)； 機(jī)載設(shè)備（包括燃油）布置等重量分布設(shè)計(jì)； 發(fā)動(dòng)機(jī)選型設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)總體尺寸設(shè)計(jì)。 (2) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 理論設(shè)計(jì)（打樣設(shè)計(jì)）； 強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)； 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)； 工程繪圖。第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)

7、：型號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)要求飛機(jī)三面圖總體布置圖外形圖使用方法規(guī)定的環(huán)境情況載荷情況結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本要求第一章第一章 緒緒 論論合乎使用要求強(qiáng)度、剛度、疲勞、損傷容限品質(zhì)合格工藝性好滿足重量機(jī)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(yīng)當(dāng)注意設(shè)計(jì)階段的規(guī)律：反復(fù)、循環(huán)、迭代、反饋；綜合性、權(quán)衡性第一章第一章 緒緒 論論3. 飛機(jī)制造過程設(shè)計(jì)圖紙技術(shù)資料工藝設(shè)計(jì)機(jī)械加工部件/全機(jī)裝配0批次24架全機(jī)強(qiáng)度、疲勞和損傷容限的驗(yàn)證和試飛4. 飛機(jī)的試飛、定型過程 地面滑跑試驗(yàn)；起、降性能試驗(yàn)； 飛行包線中各飛行科目試飛試驗(yàn)；第一章第一章 緒緒 論論有待結(jié)構(gòu)的靜力及疲勞試驗(yàn)完成后，沒問題才定型定型：三、飛機(jī)研制過程

8、概述 1、設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的不唯一性； 設(shè)計(jì)的反復(fù)性； 設(shè)計(jì)的繼承性； 設(shè)計(jì)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系。 第一章第一章 緒緒 論論2、飛機(jī)設(shè)計(jì)的主要階段： 總體設(shè)計(jì)階段； 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的打樣設(shè)計(jì)： 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(shè)計(jì)。 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)件連接設(shè)計(jì)、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、工程制圖。第一章第一章 緒緒 論論 新機(jī)研制中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般過程1）總體研制方案論證2）初步設(shè)計(jì)3）詳細(xì)設(shè)計(jì)4）試制與試驗(yàn)5）試飛與設(shè)計(jì)定型6）小批生產(chǎn)與生產(chǎn)定型7）批量生產(chǎn)第一章第一章 緒緒 論論1.2 飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原始條件和設(shè)計(jì)

9、簡介 第一章第一章 緒緒 論論一、“結(jié)構(gòu)” 與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的含義：“結(jié)構(gòu)” 能承受和傳遞載荷的系統(tǒng)即：受力結(jié)構(gòu)由幾個(gè)到幾十個(gè)零件結(jié)合在一起構(gòu)成相互之間沒有相對運(yùn)動(dòng)能承受指定的外載荷一定的強(qiáng)度、剛度、壽命、可靠性等二、飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原始條件 l使用方提出的戰(zhàn)技要求或使用技術(shù)要求l飛機(jī)三面圖及理論外形圖l飛機(jī)總體布置圖l重量指標(biāo)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(chǎn)條件和工藝性要求l其它有關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn) 第一章第一章 緒緒 論論（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)：1）飛機(jī)結(jié)構(gòu)的外載特征以及對結(jié)構(gòu)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

10、(不同的飛行，載荷的變化規(guī)律)；l外載對結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)（抖振、顫振）；l結(jié)構(gòu)承載的強(qiáng)度、剛度(靜、動(dòng)、熱、整體的、局部的)要求；l結(jié)構(gòu)壽命要求；損傷容限要求；經(jīng)濟(jì)性要求(生產(chǎn)/維修成本)。第一章第一章 緒緒 論論（2）原始條件l各部件的相對位置以及相互間連接交點(diǎn)的位置（不能改動(dòng)）；l零、構(gòu)件之間在連接尺寸上的協(xié)調(diào)關(guān)系；l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)；l部件或組件結(jié)構(gòu)的外邊界一般與飛機(jī)的理論外形相協(xié)調(diào)；l其內(nèi)部邊界可能需與某個(gè)內(nèi)部裝載協(xié)調(diào)，也可能不需協(xié)調(diào)。 第一章第一章 緒緒 論論2）飛機(jī)結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)關(guān)系 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）。 起降

11、場所條件：水、陸兩棲；陸地：水泥、土跑道。 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3）結(jié)構(gòu)的使用條件 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）； 加工能力（小量或大批量，加工精度與加工性能）； 裝配能力（裝配精度、裝配量大小）； 生產(chǎn)能力（產(chǎn)量）； 生產(chǎn)質(zhì)量保障體系（技術(shù)與管理）。第一章第一章 緒緒 論論 4）生產(chǎn)條件三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程l靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則l剛度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則l熱強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則l疲勞、耐久性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則l損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則l氣動(dòng)彈性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則l動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則第一章第一章 緒緒 論論 1）必須遵循的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 2）設(shè)計(jì)過程第一章第一章 緒緒 論論 進(jìn)行初步

12、估算，或結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，或參考原準(zhǔn)機(jī)，或 根據(jù)以上的綜合，初步定出各結(jié)構(gòu)的基本尺寸； 然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方案的進(jìn)一步比 較，最后確定基本尺寸 了解結(jié)構(gòu)的使用條件、生產(chǎn)條件，以及總體設(shè)計(jì) 已基本確定的結(jié)構(gòu)外形尺寸、主要部件初步確定 的結(jié)構(gòu)型式和各種協(xié)調(diào)關(guān)系； 通過計(jì)算和試驗(yàn)，確定外載荷的大小、分布、性 質(zhì)； 進(jìn)行部件的打樣設(shè)計(jì)。確定結(jié)構(gòu)布局的可能方案 （包括結(jié)構(gòu)型式和受力構(gòu)件布置），進(jìn)行比較，選 定后初步確定內(nèi)部協(xié)調(diào)與裝配關(guān)系。 畫出結(jié)構(gòu)詳細(xì)打樣圖，并進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)第一章第一章 緒緒 論論 對結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，對關(guān)鍵部件進(jìn)行初步疲勞、 耐久性和損傷容限分析。（不滿足則需修改設(shè)計(jì)） 進(jìn)行零構(gòu)件的詳

13、細(xì)設(shè)計(jì)，繪制全套生產(chǎn)圖紙和編制 相應(yīng)的技術(shù)文件 根據(jù)設(shè)計(jì)之初所選定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，進(jìn)行全機(jī)疲 勞壽命和損傷容限分析；或進(jìn)行損傷容限、耐耐久 性分析，并確定全機(jī)的經(jīng)濟(jì)壽命。進(jìn)行可靠性分析， 給出結(jié)構(gòu)使用壽命和檢查周期。 根據(jù)全機(jī)靜力、疲勞（或耐久性）和損傷容限試驗(yàn) 及試制、試飛中發(fā)現(xiàn)的問題對設(shè)計(jì)作必要的修改第一章第一章 緒緒 論論近代飛機(jī)結(jié)構(gòu)追求的目標(biāo)：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(fèi)用實(shí)現(xiàn)高的效費(fèi)比具體講結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)貫徹下列要求：1.3 飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求一、基本要求2.結(jié)構(gòu)完整性及最小重量要求1.空氣動(dòng)力要求和設(shè)計(jì)一體化要求3.使用維修要求4.工藝要求5.經(jīng)濟(jì)性要求第一

14、章第一章 緒緒 論論二、基本要求概述（約束條件，邊界條件） 第一章第一章 緒緒 論論保證構(gòu)造外形滿足總體設(shè)計(jì)規(guī)定的外形準(zhǔn)確度1.空氣動(dòng)力要求和設(shè)計(jì)一體化要求空氣動(dòng)力要求不容許機(jī)翼、尾翼與機(jī)身構(gòu)造有過大變形保證飛機(jī)具有良好的氣動(dòng)升力和阻力特性及具有良好的穩(wěn)定性和操縱性第一章第一章 緒緒 論論隱身結(jié)構(gòu)一體化1.空氣動(dòng)力要求和設(shè)計(jì)一體化要求設(shè)計(jì)一體化翼身融合技術(shù)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一體化飛控火控結(jié)構(gòu)一體化第一章第一章 緒緒 論論2.結(jié)構(gòu)完整性及最小重量要求是指關(guān)系到飛機(jī)安全使用、使用費(fèi)用和功能的機(jī)體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、損傷容限及耐久性（或疲勞安全壽命）等飛機(jī)所要求的結(jié)構(gòu)特性的總稱結(jié)構(gòu)完整性：具有足夠的強(qiáng)度，不產(chǎn)

15、生不能容許的殘余變形具有足夠的剛度，或采取其他措施以避免出現(xiàn)不能容許的氣動(dòng)彈性問題與振動(dòng)問題具有足夠的壽命和損傷容限，以及高的可靠性結(jié)構(gòu)在承受各種規(guī)定的載荷和環(huán)境條件第一章第一章 緒緒 論論結(jié)構(gòu)的重量盡可能輕 最小重量要求第一章第一章 緒緒 論論3.使用維修要求提高飛機(jī)在使用中的安全可靠性和保障性目的有效地降低保障、使用成本軍機(jī)：保證飛機(jī)及時(shí)處于臨戰(zhàn)狀態(tài)，提高戰(zhàn)略完好性合理地布置分離面及各種開口結(jié)構(gòu)內(nèi)部安排必要性的檢查維修通道，增加結(jié)構(gòu)的開敞性和可達(dá)性第一章第一章 緒緒 論論4.工藝要求良好的工藝性加工裝配合理精度性能前提5.經(jīng)濟(jì)性要求飛機(jī)成本構(gòu)成設(shè)計(jì)制造研制運(yùn)營80%的成本在早期的設(shè)計(jì)階段已

16、經(jīng)決定生產(chǎn)費(fèi)用與使用費(fèi)用、保障費(fèi)用約占全壽命費(fèi)用的85%左右 對軍機(jī)而言，成本不應(yīng)當(dāng)是第一要求，重量與性能是第一位的。 對民用客機(jī)，成本是第一要求。第一章第一章 緒緒 論論 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(yīng)當(dāng)在一個(gè)好的設(shè)計(jì)素質(zhì)基礎(chǔ)上，把握主要矛盾，綜合考慮，權(quán)衡處理。 一般說，氣動(dòng)性能、使用要求是“前提性”要求，氣動(dòng)外形、結(jié)構(gòu)與強(qiáng)、剛度設(shè)計(jì)技術(shù)是“前提”技術(shù)。三、飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想的演變發(fā)展五個(gè)階段第一章第一章 緒緒 論論2.靜強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)階段1.靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)階段3.強(qiáng)度、剛度、疲勞安全壽命設(shè)計(jì)階段4.強(qiáng)度、剛度、損傷容限和耐久性（經(jīng)濟(jì)壽命）設(shè)計(jì)階段5.結(jié)構(gòu)可靠

17、性設(shè)計(jì)試用階段三、飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想的演變發(fā)展四個(gè)階段1、靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)階段 靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)可追溯到18世紀(jì)伽利略時(shí)代，材料力學(xué)是伽利略時(shí)代破壞力學(xué)思維的延伸。 上個(gè)世紀(jì)2030年代，飛機(jī)業(yè)的發(fā)展形成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是一種極限載荷（破壞載荷即極限承載能力）設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即： 第一章第一章 緒緒 論論edPfPduPPd或設(shè)計(jì)載荷dP使用載荷eP極限載荷uP安全系數(shù)f第一章第一章 緒緒 論論設(shè)計(jì)載荷=使用載荷安全系數(shù)，破壞載荷應(yīng)大于等于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷：2、靜、動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)階段 動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(lì)振動(dòng)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞問題（或稱氣動(dòng)彈性問題），可導(dǎo)致

18、翼面振動(dòng)發(fā)散、操縱面反效等問題。 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可表現(xiàn)為： 第一章第一章 緒緒 論論3、 靜、動(dòng)強(qiáng)度，疲勞安全壽命設(shè)計(jì)階段 50年代，飛機(jī)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(dāng)時(shí)飛機(jī)發(fā)展的幾點(diǎn)特征： 飛機(jī)的使用壽命延長了； 飛機(jī)的技、戰(zhàn)術(shù)性能提高了； 高強(qiáng)度材料的采用； 飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備下降； 工業(yè)技術(shù)提高了生產(chǎn)率。第一章第一章 緒緒 論論 上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要依靠試驗(yàn)來保證，我國當(dāng)前的一些飛機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件仍依此設(shè)計(jì)。 現(xiàn)代軍機(jī)的使用壽命要求60008000飛行小時(shí)，民機(jī)3000060000飛行小時(shí)。fexsaenNNN/使用壽命eN安全壽命saN試驗(yàn)壽命exN）分散系數(shù)（一般取 4fn第一章第一章 緒緒 論論經(jīng)歷挫折與失敗后，設(shè)計(jì)師們發(fā)現(xiàn)需提出安全壽命要求4、靜、動(dòng)強(qiáng)度，使用壽命，損傷容限和耐久性（包括 經(jīng)濟(jì)壽命）設(shè)計(jì)階段安全使用壽命設(shè)計(jì)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)