第2章 飞机的外载荷

= f (cymax , H ,Vmax , p)
式中：p=G/S
Cymax 1.2
0.4 M
H
Vmax
V
最大过载nmax的选取与飞机性能、设备 性能和人的生理机能等均有关
nmax愈大，机动性愈好；但nmax增大使 结构受力增大，结构重量也增加，反过来又 影响整个飞机的性能
nmax↑，各种设备的惯性力↑，而很多 设备对惯性力的承受也有限度，∴nmax↑对 设备的要求也相应提高
gR
7g
例：飞机以过载ny=-3作曲线飞行，同时使
飞机重心以角加速度αz=3.92rad/s2转动，转
动方向如图所示。若发动机重量GE=1000kg， 其重心到全机重心距离L=3m，发动机绕本 身重心的质量惯性矩Izo=120kg·s2·m，求：
1.发动机重心处过载系数nyE
2.若发动机悬挂在两个接头上，主接头位于 发动机重心处，后接头距发动机重心为0.8m， 求此时发动机作用于机身结构接头上的质量 载荷。
9二类飞机：可部分完成机动飞行：如战 术轰炸机、多用途飞机，ny=-2~4
9三类飞机：不作机动飞行的飞机：如战 略轰炸机、运输机，ny=-1~3
2.2.5 非质心处质量的过载
ny = ny0 ± ∆ny = ny0 ± ∆ay / g = ny0 ±ϖ z x
nx
=
nx0
±
∆nx
=
nx0
±
∆ax
/
具体内容：
1）极限使用载荷nemax，nemin ，qmax ， qmin 2）主要部件的最大使用载荷 3）安全系数f
z f 的选取原则：
– 保证结构在使用载荷作用下不产生永久 性变形
– 合理分配f 值，使结构尽可能地轻
– 对不同的载荷、材料、工艺，选取不同 的f 值
z 对一般铝合金，σb/σn=1.5，∴f =1.5；
z 它是飞机设计中很重要的一个原始参数， 与飞行状态机动性密切相关
z ny可由过载表测量获得
2.2 不同飞行条件下的过载
2.2.1 水平面内的定常直线飞行 2.2.2 垂直平面内的曲线飞行 2.2.3 水平面内的曲线飞行(正常布局) 2.2.4 最大过载ny max 2.2.5 非质心处质量的过载 2.2.6 突风过载 2.2.7 着陆过载
第2章
飞机的外载荷
南京航空航天大学 飞机设计技术研究所
2.1 飞机结构上的主要载荷 2.2 不同飞行条件下的过载 2.3 其它载荷情况 2.4 疲劳载荷 2.5 飞机设计规范简介
2.1 飞机结构上的主要载荷
飞机在飞行、起飞、着陆、地面维护等使 用过程中，作用在飞机上的外力称为飞机 的外载荷
∑Fy=0 Y = Ny + G
n y = cos θ
当θ=0时,ny→max,
⋅
cosθ =
+V2 gR
n max
V2 G
gR =1+
+ G cosθ
V2 gR
2.2.3 水平面内的曲线飞行(正常布局)
z 如知道γ
∑Fn=0
Y sin γ = N = G ⋅ V 2
∑Fv=0
gR
Y cos γ = G
2.3.4 特殊情况的载荷
非正常状态的载荷：发动机停机、尾旋、 单轮着陆、打地转、机头碰地、飞机翻倒、 因故障强迫着陆等；
要求继续飞行并返回，在地面尽量减少 对人员的伤害，尽量减少对飞机通道出 口的阻塞；
鸟撞载荷：2000m以下以最大飞行速度飞 行时，1.8kg的鸟不穿透；
冰雹载荷：结冰破坏气动外形，影响性能； 对结构和发动机产生破坏。
ny
=
Y G
=
1
cos γ
如果用过载仪测出ny，也就知道γ，cosγ
=
1 ny
z 如知道V和R：
1
Y=
G2
+ N2
=
G
⋅
⎡ ⎢1 ⎣
+
V2 gR
⎤ ⎥ ⎦
2
1
ny
=
⎡ ⎢1
+
⎣
V 2 ⎤2
gR
⎥ ⎦
2.2.4 最大过载ny max
ny max
= Ymax G
= cy max
ρ
H
V2 max
2
1 G/S
就Y方向而言，过载系数又表示了飞机实 际的质量力情况：
ny=质量力/G
质量力与飞机所受的外力大小相等，但方
向相反（它们是平衡力系）；
因此，如以质量力来决定过载的方向，就 应该是与飞机坐标轴正方向相反为正，反 之为负。
过载系数的实用意义
知道了过载系数ny→P=ny﹒G（CG处）→ 各点Psj，Psj=ny﹒Gj
9 着陆撞击载荷对机体的疲劳损伤影响极 小，但对起落架有较大影响
地面滑行重复载荷
9 与跑道的粗糙度有关，对不同类型的跑 道已有统计结果
9 对飞机机体影响极小，主要用于构成地— 空—地循环
地－空－地循环载荷 气密舱的地—空—地由压差引起
图2.11 一次飞行所受到的载荷—时间历程示意图
图2.12 常幅载荷谱
2.4 疲劳载荷
疲劳破坏在远小于材料的原有静强度情况 下就可能发生，因而更具有危险性。
疲劳载荷还将引起设备工作不正常，并导 致破坏，使机上人员感到难受
载荷的作用顺序对材料的损伤有影响 因此，在疲劳强度分析中需确定结构中所
承受的载荷随时间变化的历程—载荷谱 （spectrum）
疲劳载荷来源
(1)飞行时的外载荷。 (2)起飞、着陆时的外载荷。
机体坐标系
速度坐标系
载荷分类
1.质量力Rf —与飞机的质量和加速度有关的 力，如：重力G；惯性力Nx等
2.表面力Rm —由物体之间直接接触作用而产 生的作用在飞机表面上的力，如：气动力Y、 Yt；发动机推力T；地面支反力等
2.1.1 过载的概念
人对nmax的承受能力也有限
图2.4 飞行员承受过载的能力与过载方向和时间的关系
图2.5 抗过载服系统 1-发动机引来的压缩空气；
2-气滤；3-调压器； 4-通信号灯；胶囊
图2.6高过载座舱内的座椅 1-可倾斜座椅； 2-后撑弹簧筒
z 综合考虑这些因素，飞机设计中一般选取：
9一类飞机：如歼击机、强击机，ny=3~8
图2.13 程序块谱
随机谱：将实测核分析得到的载荷按结构 服役过程中的受载特点进行随机编排
2.5 飞机设计规范简介
飞机设计所有基本依据: 强度规范 刚度规范 飞机试验规范 适航性规范 ……
强度规范：规定了飞机总的强度水平，各 主要部件、构件上的外载荷以及对他们进 行强度试验时的加载条件
2.2.1 水平面内的匀速直线飞行
图2.2 匀速水平飞行
∑Fx=0 ∑Fy=0
T=X Y=G
nx
=
T
−X G
=0
ny
=
Y G
=1
等速平直倒飞：ny= -1
2.2.2 垂直平面内的曲线飞行
∴
nx
=
sinθ
+
1 g
dV dt
ny
=
cosθ
+
1 g
V2 R
θ
=
0⇒
ny max
=1+ V 2 gR
进入俯冲
0 15 30 45 60 760
不锈钢
370
钛合金
100
LY-12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
M
2.3.2 噪音(声振)载荷
来源：动力装置 空气动力 武器发射
问题：声疲劳
图2.10 某发动机喷口附近的声压情况
2.3.3瞬时响应载荷
来源：核武器爆炸、空中机轮制动、起飞助 推、外挂物投放、弹射等
2.3 其它载荷情况
2.3.1热载荷 2.3.2 噪音(声振)载荷 2.3.3 瞬时响应载荷 2.3.4 特殊情况的载荷
2.3.1热载荷
１）动力装置 ； ２）气动加热
飞机表面的驻点温度：
T = TH(1+0.2M2) T(K)
H(km) 0
600
11
200
1
M
３）太阳的直接辐射和反射辐射
定义：飞机所受除重力之外的表面力总和与 飞机重量之比称为过载系数n，简称 过载。
n = Rf /G
n = nxi + ny j + nz k
n=
n
2 x
+
n
2 y
+
n
2 z
过载系数可正，可负；与坐标轴方向一致 为正，反之为负
习惯上将过载系数称为过载；平时所说的
过载是指ny，∵一般地nx和nz均很小，且x方 向的强度、刚度一般较好
g
=
nx0
±
ϖ
2 z
x
图2.7与飞机质心不重合的各点上的过载
注意：较长的装载物（发动机、油箱、鱼 雷、导弹等）
ωz引起一个附加的惯性力矩：
ω ∆M = I z0Gi
z0Gi z
例：已知：飞机俯冲攻击并沿圆弧线拉起， 已知V=1000km/h，R=1000m
求：θ=45°，0°时ny各为多少？如限制
1.高温使结构材料的强度和刚度降低 不同结构材料在不同的高度飞行时，
考虑温度影响，长时间飞行的极限速度不 同 LY12 < 钛合金 ＜ 不锈钢 2. 温度不均匀
温度应力 －> 构件失稳、疲劳 材料性能变坏
３.受热材料处于长期受力状态，还将发生 蠕变，产生永久变形