飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孟令兵航空工程學(xué)院

飛機(jī)結(jié)構(gòu)

固定翼飛行器旋轉(zhuǎn)翼飛行器直升機(jī)旋翼機(jī)旋轉(zhuǎn)翼飛行器共軸雙旋翼直升機(jī)交叉雙旋翼傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)旋翼和固定翼組合飛機(jī)撲翼飛行器1飛機(jī)機(jī)體的組成機(jī)身機(jī)翼安定面飛行操縱面起落架9飛行載荷飛機(jī)載荷：

飛機(jī)在滑行、起飛、著陸和飛行中所受的氣動(dòng)力、重力、推（拉）力和地面反作力。重點(diǎn)是升力的變化飛機(jī)載荷重力升力阻力推力彈性變形：外力去除后變形完全消失塑性變形：外力去除后無法自行恢復(fù)剛度：抵抗變形的能力強(qiáng)度：抵抗破壞的能力硬度：抵抗侵入的能力穩(wěn)定性：抵抗失穩(wěn)破壞的能力2.1機(jī)翼的功用功用：（1）產(chǎn)生升力（主要作用）（2）使飛機(jī)具有橫側(cè)安定性和操縱性（3）安裝發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架、油箱及其它設(shè)備機(jī)翼的功用：產(chǎn)生升力層流和紊流“層流”是較平靜地流過物體表面的流體；“紊流”，或者叫作擾流、湍流、渦流，則是不穩(wěn)定的、擾動(dòng)著流過物體表面的流體。氣流流經(jīng)物體一定距離后，表面的層流就會發(fā)生轉(zhuǎn)捩，進(jìn)而形成紊流。而流經(jīng)的距離越長，附面層將會越厚。層流和紊流“層流”是較平靜地流過物體表面的流體；“紊流”，或者叫作擾流、湍流、渦流，則是不穩(wěn)定的、擾動(dòng)著流過物體表面的流體。氣流流經(jīng)物體一定距離后，表面的層流就會發(fā)生轉(zhuǎn)捩，進(jìn)而形成紊流。而流經(jīng)的距離越長，附面層將會越厚。層流紊流機(jī)翼的功用：產(chǎn)生升力伯努利定理:流體流動(dòng)速度增加會導(dǎo)致流體壓力降低。機(jī)翼的功用：產(chǎn)生升力速度越快，氣壓越小，上下表面的壓力差就提供了升力25飛機(jī)在飛行中的升力如何提高升力？提高升力系數(shù)（翼型、迎角）提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率增大機(jī)翼有效面積影響升力系數(shù)的因素之一：迎角影響升力系數(shù)的因素之一：翼型凹凸型

平凸型雙凸型對稱型機(jī)翼的剖面形狀(翼型)機(jī)翼翼型的幾何參數(shù)前緣厚度中弧線后緣彎度弦線弦長c

后緣角

弦長連接翼型前緣(翼型最前面的點(diǎn))和后緣(翼型最后面的點(diǎn))的直線段稱為翼弦（也稱為弦線），其長度稱為弦長，用c表示。相對厚度翼型的厚度是垂直于翼弦的翼型上下表面之間的直線段長度。翼型最大厚度tmax與弦長c之比，稱為翼型的相對厚度t/c或，并常用百分?jǐn)?shù)表示，即常規(guī)翼型超臨界翼型超臨界機(jī)翼缺點(diǎn)：（1）機(jī)翼后部彎曲度大導(dǎo)致低頭力矩過大需要更高的尾翼載配平，會抵消一部分機(jī)翼升力；（2）較薄的后部機(jī)翼也不利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不便安裝增升裝置。影響升力系數(shù)的因素之二：機(jī)翼面積雙翼機(jī)和三翼機(jī)翼展相對較窄的三層機(jī)翼飛機(jī)具有極佳的機(jī)動(dòng)性能，最適宜近距離格斗，所以獲得了許多藝高膽大的尖子飛行員的青睞。紅男爵：里希特霍芬一戰(zhàn)時(shí)期世界頭號空戰(zhàn)王牌、個(gè)人戰(zhàn)果高達(dá)80架的里希特霍芬男爵的最后座機(jī)--?？薉r-1三翼機(jī)。單翼機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率增大航空材料的發(fā)展強(qiáng)度計(jì)算方法的改進(jìn)設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)的積累剎車裝置增升裝置以上措施克服了單翼機(jī)的缺陷，使單翼機(jī)從此走上歷史舞臺。零式戰(zhàn)斗機(jī)38機(jī)翼的平面形狀橢圓形梯形后掠翼三角翼矩形機(jī)翼的平面形狀平直翼（全球鷹）后掠翼（蘇-27）前掠翼（S-37“金雕”）三角翼（臺風(fēng)）變后掠翼（蘇-24）聯(lián)翼布局（翔龍）三翼面布局（蘇-35）飛翼布局（B-2）乘波體布局升力體布局機(jī)翼的功用：提供衡向穩(wěn)定性橫向穩(wěn)定性：是飛機(jī)抵抗飛行滾轉(zhuǎn)角擾動(dòng)的固有能力。滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)橫向安定面——機(jī)翼下單翼中單翼上單翼上單翼、中單翼和下單翼上反角和下反角飛機(jī)橫向靜穩(wěn)定性上反角增加橫向穩(wěn)定性上單翼增加橫向穩(wěn)定性俯仰運(yùn)動(dòng)縱向穩(wěn)定性：是飛機(jī)抵抗俯仰角擾動(dòng)的固有能力。水平安定面——平尾偏航運(yùn)動(dòng)航向穩(wěn)定性：是飛機(jī)抵抗偏航角擾動(dòng)的固有能力。航向安定面——垂尾機(jī)翼的功用：提供操縱面副翼升降舵方向舵后緣襟翼前緣襟翼擾流板民航客機(jī)的擾流板位于機(jī)翼的上表面、后緣襟翼之前。機(jī)翼結(jié)構(gòu)機(jī)翼的功用：安裝發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)翼油箱機(jī)翼的功用：安裝油箱機(jī)翼的功用：安裝起落架2.2機(jī)翼結(jié)構(gòu)機(jī)翼上的外部載荷2.2.1布質(zhì)蒙皮機(jī)翼蒙皮是構(gòu)成并保持機(jī)翼形狀不可缺少的結(jié)構(gòu)元件。早期飛機(jī)上的布質(zhì)蒙皮(蒙布)僅起維持外形的作用，氣動(dòng)力通過蒙布的張力傳遞給機(jī)翼骨架。隨著飛行速度的提高，氣動(dòng)載荷增大，蒙布因難以保持外形而漸被淘汰。飛行者一號”的機(jī)翼是由云杉木和帆布構(gòu)成，飛行員通過線纜和鉸鏈來控制機(jī)翼的彎曲和扭轉(zhuǎn)。2.2.2梁式機(jī)翼：梁強(qiáng)，少長桁，薄蒙皮機(jī)翼梁承受主要彎矩和剪力優(yōu)點(diǎn)：便于開口、與機(jī)身連接簡便。缺點(diǎn)：高速時(shí)蒙皮易變形，抗扭剛度較差。65翼梁最強(qiáng)有力的縱向構(gòu)件，承受全部或大部分的彎矩和剪力。翼梁由緣條、腹板和支柱等組成，剖面多為工字型。翼梁固定在機(jī)身上。

縱墻(腹板):相當(dāng)于翼梁，但緣條很弱，甚至沒有緣條。墻一般不能承受彎矩，所以與機(jī)身的連接為鉸接，但縱墻能承受剪力，可和蒙皮組成封閉盒段承受扭矩。1.腹板2.弱緣條縱墻縱墻與翼梁構(gòu)造相似，但緣條很弱，甚至沒有緣條。它多布置在靠近前后緣處,用于傳遞切力載荷,增加機(jī)翼扭轉(zhuǎn)剛度。長桁其主要功用是：（1）支持蒙皮，防止蒙皮因受局部空氣動(dòng)力而產(chǎn)生變形過大；（2）把蒙皮傳來的氣動(dòng)力傳給翼肋；（3）同蒙皮一起承受由彎矩而產(chǎn)生的拉、壓力。翼肋：維持翼剖面形狀橫向構(gòu)件：普通翼肋，加強(qiáng)翼肋普通翼肋：用來維持翼剖面形狀，將蒙皮上的空氣動(dòng)力傳到其它承力構(gòu)件上去，并支持桁條和蒙皮。加強(qiáng)翼肋：除具有普通翼肋的功用外，還作為機(jī)翼結(jié)構(gòu)的局部加強(qiáng)件，承受較大的集中載荷或懸掛部件。蒙皮承受空氣動(dòng)力，形成和維持機(jī)翼外形，并承受扭矩，有些機(jī)翼蒙皮還承受彎矩。接頭:用來連接機(jī)翼與機(jī)身，把機(jī)翼上的力傳遞到機(jī)身隔框上。接頭分為固接和鉸接兩種，固接的接頭，接點(diǎn)既不可移動(dòng)，也不可轉(zhuǎn)動(dòng)；因此，它既能傳遞剪力又能傳遞彎矩。鉸接不可移動(dòng)、但可以旋轉(zhuǎn)，只傳剪力，不傳彎矩。2.2.3單塊式機(jī)翼：梁弱，多長桁、厚蒙皮由蒙皮、桁條和緣條組成一整塊構(gòu)件?，F(xiàn)代飛機(jī)多采用單塊式機(jī)翼。特點(diǎn)：蒙皮較厚；桁條較多而且較強(qiáng)；彎曲引起的軸向力由蒙皮、桁條和緣條組成的整體壁板承受。優(yōu)點(diǎn)：能較好的保持翼形；抗彎、扭剛度較大；受力構(gòu)件分散；缺點(diǎn)：不便于開大艙口；不便于承受集中載荷；接頭連：接復(fù)雜。翼肋桁條翼梁蒙皮副翼襟翼單塊式機(jī)翼現(xiàn)代飛機(jī)多采用單塊式機(jī)翼。單塊式機(jī)翼的構(gòu)造特點(diǎn)是：蒙皮較厚；桁條較多而且較強(qiáng)；翼梁的緣條較弱，有時(shí)緣條的橫截面積和桁條差不多。

2.2.4多墻式機(jī)翼：梁弱，多縱墻，厚蒙皮。特點(diǎn)：有較高的應(yīng)力水平和結(jié)構(gòu)效率，剛度大，受力分散，破損安全特性好，但不易大開口，連接復(fù)雜。機(jī)翼的特點(diǎn)是薄壁結(jié)構(gòu)，因此以上各元件之間的連接大多采用分散連接：如鉚釘連接、螺栓連接、點(diǎn)焊、膠接或它們的混合形式——如膠鉚等。腹板表示鉚接關(guān)系緣條緣條翼肋桁條蒙皮翼梁機(jī)翼組成：中央翼、左外機(jī)翼和右外機(jī)翼中央翼盒中央翼盒是連接左右大翼的結(jié)構(gòu)，承受和傳遞飛機(jī)起飛、巡航和著陸過程中機(jī)翼及機(jī)身傳來的各種載荷，是整架飛機(jī)受力最重要的部件。一般在機(jī)身內(nèi)部，與機(jī)身結(jié)為一體。通常只有受力結(jié)構(gòu)，沒有完整的機(jī)翼外形。中翼是中機(jī)身客艙地板的支持構(gòu)件，也是飛機(jī)油箱。（1）桁架式中央翼盒（2）多梁式中央翼盒中央翼盒空客A400m運(yùn)輸機(jī)中央翼盒C17運(yùn)輸機(jī)中央翼盒C919中央翼C919中央翼盒中央翼盒C-17機(jī)翼部分插入機(jī)艙，致貨艙高度較低。運(yùn)20的中央翼高出機(jī)體，因此不存在這一問題。3.1機(jī)身結(jié)構(gòu)作用：（1）固定機(jī)翼、尾翼、起落架等部件，使之連成一個(gè)整體。（2）裝人、載貨、裝燃油以及各種設(shè)備。機(jī)身機(jī)身的空氣阻力機(jī)身的阻力占整個(gè)飛機(jī)阻力的較大部分。機(jī)身要具有良好的流線型、光滑的表面、合理的截面形狀和盡可能小的橫截面積。機(jī)身外部載荷機(jī)身承受由機(jī)翼、尾翼、起落架等部件的固定接頭傳來的集中載荷，同時(shí)還有承受機(jī)身上各部件的重力，以及結(jié)構(gòu)本身的重力。機(jī)身和機(jī)翼一樣，同樣承受著彎矩、剪力和扭矩。機(jī)身與機(jī)翼受力比較（1）機(jī)翼承載的主要是分布載荷（氣動(dòng)力），而機(jī)身主要承載各部件傳來的集中載荷。（2）機(jī)翼水平方向的抗彎剛度很大，可以不考慮水平載荷的影響。機(jī)身必須考慮橫向水平載荷的影響，因?yàn)闄C(jī)身近似圓形，橫向水平和垂直方向的抗彎剛度和載荷都差不多。機(jī)身外部載荷（1）對稱載荷，如飛機(jī)兩主輪同時(shí)著地承受的地面撞擊力。（2）不對稱載荷，如水平尾翼不對稱載荷，垂尾側(cè)向水平載荷，單主輪著地的撞擊力，飛機(jī)轉(zhuǎn)彎或側(cè)換時(shí)機(jī)身部件的側(cè)向慣性力。3.1.1桁架式機(jī)身彎矩：四根緣條承受剪力：支柱和斜支柱承受扭矩：四個(gè)平面構(gòu)件組成的立體結(jié)構(gòu)承受特點(diǎn)：抗扭能力差，空氣動(dòng)力性能差，只適合低速飛機(jī)92早期的機(jī)身——木制或金屬管行成的機(jī)身骨架優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單便于制造缺點(diǎn)：最大的缺點(diǎn)不流線，氣動(dòng)性差；抗扭剛度差容積利用差3.1.2硬殼式機(jī)身特點(diǎn)：（1）由蒙皮和少量框架、隔框組成。（2）沒有縱向加強(qiáng)件（3）蒙皮必須足夠強(qiáng)以維持機(jī)身的剛性。優(yōu)點(diǎn)：彎、扭剛度大缺點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)太重，蒙皮材料利用率低（2）開口補(bǔ)強(qiáng)增重較大。所以這種機(jī)身型式實(shí)際上用得很少。94早期采用硬殼式機(jī)身的飛機(jī)3.1.3半硬殼式機(jī)身（1）桁梁式機(jī)身由大梁、較弱的桁條、蒙皮和隔框組成

①大梁較強(qiáng)（4根）

②桁條弱且少③蒙皮薄優(yōu)點(diǎn)：可以開大的艙口而不會顯著地降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度缺點(diǎn)：不宜高速飛行受力特點(diǎn)：剪力和扭矩引起的剪流全部由蒙皮承擔(dān)；彎矩引起的軸向力主要由桁梁承受；蒙皮與長桁至承受很小部分軸力。3.1.3半硬殼式機(jī)身半硬殼式機(jī)身（2）桁條式機(jī)身由桁條、蒙皮和隔框組成

①無大梁

②桁條強(qiáng)③蒙皮厚優(yōu)點(diǎn)：機(jī)身結(jié)構(gòu)抗扭剛度大，適用于高速飛機(jī)。缺點(diǎn)：不宜開大的艙，如果要開口，需要在開口處用專門構(gòu)件加強(qiáng)。機(jī)身主要構(gòu)件：蒙皮和機(jī)翼蒙皮一樣，用于維持機(jī)身外形，同時(shí)和支撐它的構(gòu)件一起承受和傳遞氣動(dòng)載荷和彎矩。蒙皮大部分鉚接在桁條上，小部分鉚接在框架上。機(jī)身主要構(gòu)件：桁條桁條主要承受機(jī)身彎曲時(shí)產(chǎn)生的軸向力。桁條對蒙皮有支持作用。機(jī)身主要構(gòu)件：大梁（龍骨梁）龍骨梁是一個(gè)主要縱向機(jī)身部件，對機(jī)身、機(jī)翼和起落架是一個(gè)重要的支撐部件。機(jī)身主要構(gòu)件：隔框機(jī)身隔框分為普通隔框和加強(qiáng)隔框。普通隔框的作用是保持機(jī)身的外形、提高蒙皮的穩(wěn)定性和承受局部氣動(dòng)力。加強(qiáng)隔框除了上述功能外，還可承受大的集中載荷。機(jī)身主要構(gòu)件：地板梁地板骨架由縱梁和橫梁組成。橫梁兩端連接在機(jī)身隔框上，并與縱梁和垂直柱構(gòu)成承力骨架?？v梁還可以作為安裝和固定座椅的導(dǎo)軌。3.2增壓座艙結(jié)構(gòu)增壓艙是將機(jī)身的一部分做成密封結(jié)構(gòu)，從氣源系統(tǒng)引出的增壓空氣，經(jīng)空調(diào)和壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置后進(jìn)入座艙，可保證座艙內(nèi)的壓力按預(yù)定的規(guī)律變化。增壓艙五問（1）問：客艙為什么要增壓？答：客艙增壓的主要原因是因?yàn)楝F(xiàn)在的飛機(jī)飛行高度有了增加。由于低空大氣存在很大的不穩(wěn)定性以及低空空域日漸擁擠，所以現(xiàn)在的飛機(jī)開辟了在高空的新航路。飛行高度的升高隨即帶來了客艙壓力降低等一系列后果。當(dāng)飛機(jī)飛到7000米的高度時(shí)，人體會感到明顯的不適。故此為了保證乘客的安全和乘坐時(shí)的舒適度，飛機(jī)必須進(jìn)行客艙增壓。一般需保持在飛機(jī)的最大飛行高度下，客艙內(nèi)的壓力水平必須保持同2400米高度時(shí)大氣壓力相同。增壓艙五問（2）問：飛機(jī)的增壓區(qū)域有哪些？答：飛機(jī)的主要增壓區(qū)域包括駕駛艙、客艙和貨艙。增壓艙五問（3）問：增壓客艙構(gòu)造是什么樣的？答：為了保證客艙在增壓后能夠承受內(nèi)外壓差而不被損壞，飛機(jī)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了加固。壓力比較集中的是在機(jī)頭和機(jī)身后部，故分別安裝了前后增壓隔板。前壓力隔板為平面形位于前部雷達(dá)整流罩后方。后壓力隔板為半球形，位于機(jī)身尾部。增壓艙五問（4）問：客艙失壓會怎么樣？答：客艙失壓出現(xiàn)的原因可能是由于增壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障、結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致客艙壓力泄露以及艙門故障破損等。1985年8月12日，日本航空一架波音747客機(jī)由于后增壓隔板破損，氧氣泄露，失壓爆炸后導(dǎo)