民用飞机结构和设计
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氣動彈性問題與振動問題； •具有足夠的壽命和損傷容限，以及高的可靠性。
–在保證上述條件得到滿足的前提下，使結構的重量 盡可能輕，因此也簡稱為最小重量要求。
飛機結構設計的基本要求和綜合設計思想
•3)使用維修要求
–飛機各部份須分別按規定的週期進行檢查、 維護和修理。良好的維修性可以提高飛機在 使用中的安全可靠性和保障性，並可以有效 地降低保障、使用成本。
•1)空氣動力要求和設計一體化的要求 •2)結構完整性及最小重量要求 •3)使用維修要求 •4)工藝要求 •5)經濟性要求
飛機結構設計的基本要求和綜合設計思想
•1)空氣動力要求和設計一體化的要求
–當結構與氣動外形有關時，結構設計應保證 構造外形滿足整體設計規定的外形準確度， 不容許機翼、尾翼與機身結構有過大變形， 以保證飛機具有良好的氣動升力和阻力特 性，以及具有良好的穩定性和操縱性。
較強結構來支撐，惟如此將又增加重量等。 • 超額的結構重量，亦謂較少的酬載(payload)，因此影
響飛機的經濟效益。飛機設計者因此常試圖降低飛機 重量，達到安全之最低要求。 • 為確保強度及安全的一般最低標準，適航法規設定一 些飛機主結構須滿足的係數：
– 1)極限負荷(limit load)在正常操控下，飛機所預期經歷的最大 負荷。
•在全球各地共設有七個地區辦事處：
–1，亞洲及太平洋地區辦事處設在曼谷。 –2，中東及北部非洲——開羅 –4，中北美洲和加勒比海地區——墨西哥城 –5，東部和南部非洲——內羅畢(內羅比) –6，歐洲和北大西洋地區——巴黎 –7，中部和西部非洲——達喀爾
•目前有189個會員國
16
飛機結構設計的基本要求和綜合設計思想
3
摘自93年民航概論遠距教學課程 航空器飛行原理, 耿驊
4
專有名詞
•機身 fuselage •座艙 cockpit •副翼 aileron •襟翼 flap •前緣縫翼 slat •擾流器 spoiler •方向舵 rudder •升降舵 elevator. •安定板 stabilizer •尾翼 empennage
‧飛機設計過程
–飛機設計單位根據擬定好的飛機技術要求進 行飛機設計。
–飛機設計一般分為
‧整體設計
–主要工作是確定全機主要參數、確定飛機的基本外 形、選擇發動機、進行飛機性能初步計算。
‧結構設計
–在總體設計基礎上，進行飛機各部件結構的初步設 計、對全機結構進行強度計算、完成零構件的詳細設 計和細節設計，完成結構的全部零構件圖紙和部件、 組件安裝圖。
–隨著計算機技術的迅速發展，設計單位中大部份工 作借助計算機輔助設計系統(CAD)來完成，包括分 析、計算、構形設計，並可直接用計算機繪圖、 發 圖。
–有的已發展到CAD/CAM一體化，可採用無圖設 計，只須在製造時把已儲存在計算機理的全部數據 傳遞給計算機輔助製造系統(CAM)。
飛機研製過程
‧飛機的試飛、定型過程
‧穩定性(stability)
–構件受力後維持平衡狀態的能力,即抵抗挫曲的能力
•金屬疲勞(metal fatigue)
–在反覆施加應力之循環下，金屬失去其原有性能的 一種現象。
Some Definitions
•Safe Life –(安全壽命)
–a structure is guaranteed to have no failures over its lifetime (usually several lifetimes for conservatism)
–全壽命週期費用主要是飛機的概念設計、方 案驗證、全面研製、生產、使用與保障五階 段直到退役或報廢期間所付出的一切費用之 和。
–其中生產費用與使用、保障費用約佔全壽命 週期費用的85%左右。
19
飛機結構設計思想的演變
•1)靜強度設計階段 •2)靜強度和剛度設計階段 •3)強度、剛度、疲勞安全壽命設計階段 •4)強度、剛度、損傷容限和耐久性(經濟
来自百度文库18
飛機結構設計的基本要求和綜合設計思想
•4)工藝要求
–要求飛機結構有良好的工藝性，便於加工、 裝配。這些須結合產品的產量、機種、需要 的迫切性與加工條件等綜合考慮。
–對於複合材料等新材料，還應對材料、結構 的製作和結構修理的工藝性予以重視。
飛機結構設計的基本要求和綜合設計思想
•5)經濟性要求
–過去主要是指生產和使用的成本。近年來提 出全壽命週期費用(LCC)概念。
壽命)設計階段 •5)結構可靠性設計試用階段
飛機結構設計思想的演變
•1)靜強度設計階段
–從20世紀前期起，飛機結構都按靜強度設 計。
–設計中通常採用設計載荷法，設計載荷為使 用載荷承以安全係數。
–靜強度設計準則為結構材料的極限載荷(或 稱極限承載能力)結構的設計載荷，則認為 結構安全。
20
飛機結構設計思想的演變
•The 777 was the first commercial aircraft to be designed entirely on computer.
•No paper drawings were ever produced; everything was created on a 3D CAD software system known as CATIA. This allowed a virtual 777 to be assembled in simulation, allowing engineers to examine for interferences and to test whether the many thousands of parts would fit together properly before costly physical prototypes were manufactured.
–在通過全機靜強度試驗、某些必要的疲勞、 損傷容限的早期驗證試驗、起落架試驗和全 機各系統試驗後進行試飛。
–設計、製造和試飛出現的各種問題，通過更 改設計或改進製造方法等全部排除。
–最後將飛機定型投入小批量生產。
12
Boeing 777
One of the first examples of Concurrent Engineering
13
Why CATIA
•與國際及航空業界接軌
Boeing 777
•波音 777 為首次完全以電腦設計之商用飛機,毋須 任何紙張藍圖, 皆由CATIA 3D電腦輔助設計軟體 完成。
•波音 777為同步工程的先驅案例之一。
•利用CATIA , 虛擬的波音 777在電腦進行模擬組 裝,工程師得以先行確認介面干涉與測試眾多組件 是否配置恰當,而毋須等到昂貴的實體原型機之製 造完成。
前緣縫翼
擾流板
風檔
垂直安定面
擾流板 後緣襟翼
方向舵 升降舵 水平安定面
機身 機翼
發動機派龍架
艙門 駕駛艙
1號發動機
摘自94年民航概論遠距教學課程 民航機的設計與運作, 耿驊
2
Most aircraft are composed of the fuselage (body), wings, empennage (tail assembly), landing gear, and power plant
15
ICAO
國際民航組織(英文International Civil Aviation Organization，簡稱ICAO)是聯合國屬下的機 構，專責管理和發展國際民航事務。其職責包 括：發展航空導航的規則和技術；預測和規劃 國際航空運輸的發展以保證航空安全和有序發 展。
•國際民航組織的總部在加拿大的蒙特利 爾。
14
– 民用航空局依民用航空法第二十三條第一項委託之適航檢定業務。 – 航空器適航驗證制度及飛航安全提昇之研究規劃。 – 航空適航標準及檢定程序之研究及諮詢。 – 提供航空器適航驗證之管理諮詢與技術服務。 – 推動適航驗證之國際合作事務。 – 其他相關業務。
• 建立標準與程序 – 1.適航標準 – 2.環保標準 – 3.型別檢定作業程序 – 4.民用航空產品及零組件生產許可審定及監督 ,品質系統評核 , 零組件製造人 合格審定作業程序 – 5.技術標準件合格審定作業程序
機首偏航
yaw
機首俯仰
pitch
沿著機身方向的滾動 roll
推力
thrust
摘自93年民航概論遠距教學課程 航空器飛行原理, 耿驊
5
作用於飛機之四種力量型態
1.推力(THRUST)---由引擎及螺旋槳所提供，將空氣往後推，使得 飛機因而得到來自空氣之反作用力或推力作用.
2.拖曳力(DRAG)---阻力，與推力方向相反. 3. 升力(LIFT)---向上之力量，由在空氣中行進之機翼提供，
• 初始適航驗證 – 1.工程面任務︰設計符合性 (Type Certification-型別檢定) – 2.製造／生產面任務：符合性檢查﹑生產許可 (Production Certification-生產檢 定) – 3.進口航空器產品型別認可檢定工作
• 協助民航局推動雙邊適航驗證協定 • 協助民航局執行受委託之持續適航驗證監督工作
–the ability of a material/structure to maintain performance with damage present
8
適航性與機體負荷 (Airworthiness and airframe loads)
安全係數(Factor of safety)--• 飛機設計時，重量的控制極為重要。重量增加，則需
10
摘自94年民航概論遠距教學課程 民航機的設計與運作, 耿驊
發動機
摘自94年民航概論遠距教學課程 民航機的設計與運作, 耿驊
11
飛機研製過程
‧飛機製造過程
–飛機製造工廠根據設計單位提供的設計圖紙和技術 資料進行試製。完成後裝上全部設備、系統和發動 機，由飛機工廠首批(一般稱為”0”批，生產2~4架) 試製出來的新飛機即可投入全機強度、疲勞和損傷 容限的驗證試驗和試飛。
– 2)安全負荷(Proof load)為極限負荷與安全係數(proof factor, 1~1.25)之乘積。
– 3)最大負荷(ultimate load)為極限負荷與最大係數(ultimate factor, 通常為1.5)的乘積。飛機結構須能承受安全負荷而無損害的變 形，且在未達到最大負荷前不應失效。
支撐飛行中的飛機. 4. 重力(WEIGHT)---向下之力量，係飛機及載重之重量，
與升力方向相反.
6
作用於飛機之力量
摘自93年民航概論遠距教學課程 航空器飛行原理, 耿驊
7
名詞解釋
‧強度(strength)
–構件抵抗降伏或斷裂的能力
‧勁度(stiffness) (或稱剛度)
–構件抵抗變形的能力
•Durability –(耐久性)
– the ability of a material/structure to sustain an event or sequence of events without damage (fatigue is a subset of durability)
•Damage Tolerance –(損傷容限)
17
飛機結構設計的基本要求和綜合設計思想
•2)結構完整性及最小重量要求
–所謂結構完整性是指關係到飛機安全使用、使用費 用和功能的機體結構的強度、剛度、損傷容限及耐 久性(或疲勞安全壽命)等飛機所要求的結構特性的 總稱。
–結構設計應保證結構在承受各種規定的載荷和環境 條件下，
•具有足夠的強度， •不產生不能容許的殘餘變形； •具有足夠的剛度，或採取其它措施以避免出現不能容許的
Aircraft Structure飛具結構
摘自94年民航概論遠距教學課程 民航機的設計與運作, 耿驊
摘自民航局往頁資料:民用航空器的操作與性能簡介
1
http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12///airplane/airplane.html
安定板
方向舵 升降舵
座艙
機身
襟翼 副翼
飛機研製過程
‧擬定技術要求 ‧飛機設計過程 ‧飛機製造過程 ‧飛機的試飛、定型過程
9
飛機研製過程
‧擬定技術要求
–飛機設計的基本依據。 –通常可由飛機設計單位和定貨單位協商後，
共同擬定出新飛機的戰術技術要求或使用技 術要求。 –技術要求確定了飛機的主要性能指標、主要 使用條件和機載設備等。
飛機研製過程
–在保證上述條件得到滿足的前提下，使結構的重量 盡可能輕，因此也簡稱為最小重量要求。
飛機結構設計的基本要求和綜合設計思想
•3)使用維修要求
–飛機各部份須分別按規定的週期進行檢查、 維護和修理。良好的維修性可以提高飛機在 使用中的安全可靠性和保障性，並可以有效 地降低保障、使用成本。
•1)空氣動力要求和設計一體化的要求 •2)結構完整性及最小重量要求 •3)使用維修要求 •4)工藝要求 •5)經濟性要求
飛機結構設計的基本要求和綜合設計思想
•1)空氣動力要求和設計一體化的要求
–當結構與氣動外形有關時，結構設計應保證 構造外形滿足整體設計規定的外形準確度， 不容許機翼、尾翼與機身結構有過大變形， 以保證飛機具有良好的氣動升力和阻力特 性，以及具有良好的穩定性和操縱性。
較強結構來支撐，惟如此將又增加重量等。 • 超額的結構重量，亦謂較少的酬載(payload)，因此影
響飛機的經濟效益。飛機設計者因此常試圖降低飛機 重量，達到安全之最低要求。 • 為確保強度及安全的一般最低標準，適航法規設定一 些飛機主結構須滿足的係數：
– 1)極限負荷(limit load)在正常操控下，飛機所預期經歷的最大 負荷。
•在全球各地共設有七個地區辦事處：
–1，亞洲及太平洋地區辦事處設在曼谷。 –2，中東及北部非洲——開羅 –4，中北美洲和加勒比海地區——墨西哥城 –5，東部和南部非洲——內羅畢(內羅比) –6，歐洲和北大西洋地區——巴黎 –7，中部和西部非洲——達喀爾
•目前有189個會員國
16
飛機結構設計的基本要求和綜合設計思想
3
摘自93年民航概論遠距教學課程 航空器飛行原理, 耿驊
4
專有名詞
•機身 fuselage •座艙 cockpit •副翼 aileron •襟翼 flap •前緣縫翼 slat •擾流器 spoiler •方向舵 rudder •升降舵 elevator. •安定板 stabilizer •尾翼 empennage
‧飛機設計過程
–飛機設計單位根據擬定好的飛機技術要求進 行飛機設計。
–飛機設計一般分為
‧整體設計
–主要工作是確定全機主要參數、確定飛機的基本外 形、選擇發動機、進行飛機性能初步計算。
‧結構設計
–在總體設計基礎上，進行飛機各部件結構的初步設 計、對全機結構進行強度計算、完成零構件的詳細設 計和細節設計，完成結構的全部零構件圖紙和部件、 組件安裝圖。
–隨著計算機技術的迅速發展，設計單位中大部份工 作借助計算機輔助設計系統(CAD)來完成，包括分 析、計算、構形設計，並可直接用計算機繪圖、 發 圖。
–有的已發展到CAD/CAM一體化，可採用無圖設 計，只須在製造時把已儲存在計算機理的全部數據 傳遞給計算機輔助製造系統(CAM)。
飛機研製過程
‧飛機的試飛、定型過程
‧穩定性(stability)
–構件受力後維持平衡狀態的能力,即抵抗挫曲的能力
•金屬疲勞(metal fatigue)
–在反覆施加應力之循環下，金屬失去其原有性能的 一種現象。
Some Definitions
•Safe Life –(安全壽命)
–a structure is guaranteed to have no failures over its lifetime (usually several lifetimes for conservatism)
–全壽命週期費用主要是飛機的概念設計、方 案驗證、全面研製、生產、使用與保障五階 段直到退役或報廢期間所付出的一切費用之 和。
–其中生產費用與使用、保障費用約佔全壽命 週期費用的85%左右。
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飛機結構設計思想的演變
•1)靜強度設計階段 •2)靜強度和剛度設計階段 •3)強度、剛度、疲勞安全壽命設計階段 •4)強度、剛度、損傷容限和耐久性(經濟
来自百度文库18
飛機結構設計的基本要求和綜合設計思想
•4)工藝要求
–要求飛機結構有良好的工藝性，便於加工、 裝配。這些須結合產品的產量、機種、需要 的迫切性與加工條件等綜合考慮。
–對於複合材料等新材料，還應對材料、結構 的製作和結構修理的工藝性予以重視。
飛機結構設計的基本要求和綜合設計思想
•5)經濟性要求
–過去主要是指生產和使用的成本。近年來提 出全壽命週期費用(LCC)概念。
壽命)設計階段 •5)結構可靠性設計試用階段
飛機結構設計思想的演變
•1)靜強度設計階段
–從20世紀前期起，飛機結構都按靜強度設 計。
–設計中通常採用設計載荷法，設計載荷為使 用載荷承以安全係數。
–靜強度設計準則為結構材料的極限載荷(或 稱極限承載能力)結構的設計載荷，則認為 結構安全。
20
飛機結構設計思想的演變
•The 777 was the first commercial aircraft to be designed entirely on computer.
•No paper drawings were ever produced; everything was created on a 3D CAD software system known as CATIA. This allowed a virtual 777 to be assembled in simulation, allowing engineers to examine for interferences and to test whether the many thousands of parts would fit together properly before costly physical prototypes were manufactured.
–在通過全機靜強度試驗、某些必要的疲勞、 損傷容限的早期驗證試驗、起落架試驗和全 機各系統試驗後進行試飛。
–設計、製造和試飛出現的各種問題，通過更 改設計或改進製造方法等全部排除。
–最後將飛機定型投入小批量生產。
12
Boeing 777
One of the first examples of Concurrent Engineering
13
Why CATIA
•與國際及航空業界接軌
Boeing 777
•波音 777 為首次完全以電腦設計之商用飛機,毋須 任何紙張藍圖, 皆由CATIA 3D電腦輔助設計軟體 完成。
•波音 777為同步工程的先驅案例之一。
•利用CATIA , 虛擬的波音 777在電腦進行模擬組 裝,工程師得以先行確認介面干涉與測試眾多組件 是否配置恰當,而毋須等到昂貴的實體原型機之製 造完成。
前緣縫翼
擾流板
風檔
垂直安定面
擾流板 後緣襟翼
方向舵 升降舵 水平安定面
機身 機翼
發動機派龍架
艙門 駕駛艙
1號發動機
摘自94年民航概論遠距教學課程 民航機的設計與運作, 耿驊
2
Most aircraft are composed of the fuselage (body), wings, empennage (tail assembly), landing gear, and power plant
15
ICAO
國際民航組織(英文International Civil Aviation Organization，簡稱ICAO)是聯合國屬下的機 構，專責管理和發展國際民航事務。其職責包 括：發展航空導航的規則和技術；預測和規劃 國際航空運輸的發展以保證航空安全和有序發 展。
•國際民航組織的總部在加拿大的蒙特利 爾。
14
– 民用航空局依民用航空法第二十三條第一項委託之適航檢定業務。 – 航空器適航驗證制度及飛航安全提昇之研究規劃。 – 航空適航標準及檢定程序之研究及諮詢。 – 提供航空器適航驗證之管理諮詢與技術服務。 – 推動適航驗證之國際合作事務。 – 其他相關業務。
• 建立標準與程序 – 1.適航標準 – 2.環保標準 – 3.型別檢定作業程序 – 4.民用航空產品及零組件生產許可審定及監督 ,品質系統評核 , 零組件製造人 合格審定作業程序 – 5.技術標準件合格審定作業程序
機首偏航
yaw
機首俯仰
pitch
沿著機身方向的滾動 roll
推力
thrust
摘自93年民航概論遠距教學課程 航空器飛行原理, 耿驊
5
作用於飛機之四種力量型態
1.推力(THRUST)---由引擎及螺旋槳所提供，將空氣往後推，使得 飛機因而得到來自空氣之反作用力或推力作用.
2.拖曳力(DRAG)---阻力，與推力方向相反. 3. 升力(LIFT)---向上之力量，由在空氣中行進之機翼提供，
• 初始適航驗證 – 1.工程面任務︰設計符合性 (Type Certification-型別檢定) – 2.製造／生產面任務：符合性檢查﹑生產許可 (Production Certification-生產檢 定) – 3.進口航空器產品型別認可檢定工作
• 協助民航局推動雙邊適航驗證協定 • 協助民航局執行受委託之持續適航驗證監督工作
–the ability of a material/structure to maintain performance with damage present
8
適航性與機體負荷 (Airworthiness and airframe loads)
安全係數(Factor of safety)--• 飛機設計時，重量的控制極為重要。重量增加，則需
10
摘自94年民航概論遠距教學課程 民航機的設計與運作, 耿驊
發動機
摘自94年民航概論遠距教學課程 民航機的設計與運作, 耿驊
11
飛機研製過程
‧飛機製造過程
–飛機製造工廠根據設計單位提供的設計圖紙和技術 資料進行試製。完成後裝上全部設備、系統和發動 機，由飛機工廠首批(一般稱為”0”批，生產2~4架) 試製出來的新飛機即可投入全機強度、疲勞和損傷 容限的驗證試驗和試飛。
– 2)安全負荷(Proof load)為極限負荷與安全係數(proof factor, 1~1.25)之乘積。
– 3)最大負荷(ultimate load)為極限負荷與最大係數(ultimate factor, 通常為1.5)的乘積。飛機結構須能承受安全負荷而無損害的變 形，且在未達到最大負荷前不應失效。
支撐飛行中的飛機. 4. 重力(WEIGHT)---向下之力量，係飛機及載重之重量，
與升力方向相反.
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作用於飛機之力量
摘自93年民航概論遠距教學課程 航空器飛行原理, 耿驊
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名詞解釋
‧強度(strength)
–構件抵抗降伏或斷裂的能力
‧勁度(stiffness) (或稱剛度)
–構件抵抗變形的能力
•Durability –(耐久性)
– the ability of a material/structure to sustain an event or sequence of events without damage (fatigue is a subset of durability)
•Damage Tolerance –(損傷容限)
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飛機結構設計的基本要求和綜合設計思想
•2)結構完整性及最小重量要求
–所謂結構完整性是指關係到飛機安全使用、使用費 用和功能的機體結構的強度、剛度、損傷容限及耐 久性(或疲勞安全壽命)等飛機所要求的結構特性的 總稱。
–結構設計應保證結構在承受各種規定的載荷和環境 條件下，
•具有足夠的強度， •不產生不能容許的殘餘變形； •具有足夠的剛度，或採取其它措施以避免出現不能容許的
Aircraft Structure飛具結構
摘自94年民航概論遠距教學課程 民航機的設計與運作, 耿驊
摘自民航局往頁資料:民用航空器的操作與性能簡介
1
http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12///airplane/airplane.html
安定板
方向舵 升降舵
座艙
機身
襟翼 副翼
飛機研製過程
‧擬定技術要求 ‧飛機設計過程 ‧飛機製造過程 ‧飛機的試飛、定型過程
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飛機研製過程
‧擬定技術要求
–飛機設計的基本依據。 –通常可由飛機設計單位和定貨單位協商後，
共同擬定出新飛機的戰術技術要求或使用技 術要求。 –技術要求確定了飛機的主要性能指標、主要 使用條件和機載設備等。
飛機研製過程