第4章 机翼尾翼的结构分析

纵墙结构方案
4.3.5 翼肋 翼肋按其功用和结构型式可分为： 普通肋 加强肋
形成机翼剖面所需的形状 将原始气动载荷(从蒙皮和桁条)传到 翼梁和蒙皮上，并将局部扭矩传给闭 室 翼肋对蒙皮和桁条提供支持，并提高 它们的失稳临界应力。通常等距分布。 翼肋又支持在翼梁和蒙皮
图4.21 翼肋结构方案
飞机结构设计
第4章 机翼尾翼的结构分析
4.1 机翼的功用、设计要求和受载特点 4.1.1机翼的功用和设计要求 一、机翼的用途

气动作用：保证飞机的飞行性能和机动性 能，横向稳定性和操纵性 安装起落架、发动机、贮放燃油、武器等。

图4.1现代旅客机的机翼

机翼的结构重量占全机结构重量的 30%~50%，占全机重量的8%~15%。由它产 生的阻力是全机阻力的30%~50%。
图4.24 加强翼 肋的结构受载 和平衡

为什么不是这样的？
图4.25 根肋的结构和受载
4.4 直机翼的结构受力型式 能承受剖面上总体载荷(剪力、弯矩和扭 矩)的机翼构件的总和形成了机翼的基本承 力系统（主要元件的组成形式）。
弯矩M是机翼横剖面上的主要载荷(用于承受 它的结构质量占机翼总质量的50%)。根据蒙 皮、桁条和翼梁缘条参与承受弯矩的程度， 把机翼分为：
分布气动力：以吸力和压力形式直接作用 在蒙皮上； 机翼结构的质量力：分布在机翼整个体积 上； 集中力：与机翼连接的其它部件(如起落架 发动机)、装载物(油箱、炸弹)以及各类增 升翼面从它们的连接接头上传给机翼。

各种受载情况下气动载荷的弦向分布
•亚音速气动力沿机翼弦向分布如图所示 •副翼不偏转时的超音速飞行时可以认为载荷沿翼弦为均 匀分布
双梁机翼传力分析综述
蒙皮 长桁 蒙皮
?
接头 机身
蒙皮
翼肋
剪力
局部气动力
梁
弯矩
剪力
扭矩 长桁 扭矩
一对剪力（形成力偶）
蒙皮
根部加强肋

两个重要概念：
剪流反传 参与区
参与区

传力分析总结：
受到什么载荷（谁传递过来的）？ 如何被支撑（约束）？
约束力到哪里去了？
支撑能提高正确的约束力吗？是否符合传力特
梁式（集中式）
整体式机翼（分散式）
单块式
多腹板式
梁式机翼：纵向的梁很强（单梁、双梁、多 梁）；蒙皮较薄；长桁较少且弱；有时有纵墙 弯矩主要由翼梁缘条承受。
剪力由翼梁腹板承受
扭矩由蒙皮和后梁(后墙)腹板形成的闭室承 受 。
整体式机翼：弯矩主要由蒙皮及其加强桁条
或波纹形壁板承受。这种机翼的蒙皮较厚、桁 条较强，而梁(墙)较弱。 单块式机翼：腹板较少，且腹板缘条承受 弯矩的能力较弱。长桁较多且强；蒙皮较厚； 纵梁较弱；有时无纵梁而只有纵墙 多腹板式机翼：有较多的纵向梁和墙（一 般多于5个）；厚蒙皮；无长桁；少翼肋， 弯矩由缘条和蒙皮共同承受。多用于小展弦 比的高速薄翼飞机
4.3.3 翼梁
传递总体剪力(加强支柱加强的腹板) 总体弯矩(缘条)
腹板与机翼周边形成闭室，参与承受扭矩Mt
支持处固接 翼梁质量与机翼质量之比为从单块式机翼的
7~11%到梁式机翼的23~28%。 结构型式 腹板式 桁架式
腹 板式
桁 架式
4.3.4 纵墙
传递总体剪力 局部弯矩 缘条较弱，支持处铰接 纵墙处于受扭的横切面之中，承受Mt引 起的剪切 纵墙还把机翼翼盒与前后增升装置分开。
图4.28 多梁式 机翼结构
4.4.2单块式机翼
经常有中央翼
也有采用围框式连接
图4.29 整体式机翼结构及 其对接接头： 外翼之间、外翼与中翼 ((a)(b)(c)(d)(e))的连接； 机翼壁板与其纵向受力构 件((f)、(g)、(h)、(i)) 的连接，中翼与机身((j)、 (k))的连接； 发动机(i)和起落架(i)、 (m)、(n))的连接。翼尖(1 －中央翼壁板；2－对接型 材；3－整流翼尖；4－普 通肋； 5－机翼前缘；6－ 机翼后缘7，8－梁； 9－接头；10－支柱；11－ 角撑（托架）；12－连接 接头； 13－加强肋；14－ 机身加强框； 15，16－飞机主起落架支 柱接头；17－锻造丁字形 材 l)。
剖面上相对于刚心的扭矩Mt为：
M ti Qi ( xp xg ) Qi c
式中： ci剖面上刚心和压心之间的距离。 刚心位置
xg B
( EJ ) 2 ( EJ ) 1 ( EJ ) 2
翼肋传递到蒙皮上的载荷qti为 ：
qti
M ti 2 Fcont
i
Qi ci 2 Fconti
图4.13 蒙 皮、翼肋 和桁条之 间的互相 连接型式
4.2.3翼肋将载荷传到蒙皮和翼梁腹板上
支持在翼梁、蒙皮上 承受蒙皮、桁条传递 过来的气动载荷。 受弯
剪力Q由两个翼梁共同承受，按刚度分配：
( EJ )1 Q1i Qi ( EJ )1 ( EJ ) 2
( EJ )1 Q2 Q ( EJ )1 ( EJ ) 2
性？ 分离体是否平衡？ 所有的力都传递到基础上吗？
4.3 机翼主要受力构件的用途和结构型式
4.3.1蒙皮
形成良好的气动外形 传递局部气动载荷 薄蒙皮与前后梁（墙）组成闭室传扭 厚蒙皮与前后梁（墙）组成闭室传扭，与长 桁、缘条组成壁板传弯
依据飞机的受力分析，蒙皮的质量占机翼质量 的25~40％。
压力中心在翼弦上的位置：
xp
m z m z0 ( ) sec b c y cy
式中mz0是零升力矩系数。对于对称翼型，mz0=0， 并且机翼的压力中心与焦点重合，即хp=хF。
图4.4机翼焦点位置与飞行M数的变化关系

机翼结构的质量力为空气动力的8～15%， 它们按与空气动力同样的规律分配：
nG(1 mw ) Q qdz Ssec S (l / 2) 0
z
而弯矩M=Qc，式中
(l / 2) 0 z b 2bt c 3 b bt
四、扭矩Mt
Mz
l/2
m dz M
z
z
zp
分布力qb和qw相对于Z轴 产生的分布扭矩
mz qb ( xz xp ) q w ( xm xz )
qw nd Gw b S
质量力qw的作用点xm就是剖面的质心，一般位 于距前缘4050%的弦长处。
q q b q w q b (1 m w )
它距前缘的距离为：
xeqi (qb xp qw xm ) / q

装在机翼内或悬挂在其上的各部件和装载 物的质量力Pp作用在部件或装载物的质心 上 。
图4.22 沿翼弦 平面分为两半 的翼肋结构
图4.23 翼肋的缘条和腹板与翼梁的缘条和腹板及机翼 的壁板对接结构方案
二、加强翼肋 承受与机翼相连的其他部件 (起落架支柱、 发动机、副翼及机翼其它活动部分悬挂接 头)传来的集中力和力矩，并将它们传递到 机翼的大梁和闭室上； 在纵向构件轴线转折处重新分配壁板和 腹板上的载荷； 用于在机翼对接处和在大开口两边将 Mt 转变为一对力偶。
式中：Fcont闭室面积；
问题：
– 扭矩可以由两个梁承担吗？
4.2.4 翼梁的受力
4.2.5蒙皮的总体受载
Rt M tr / B
Mt的作用使机翼蒙皮如同翼梁腹板一样受剪。
蒙皮以剪切形式承受扭矩Mt。为使扭矩能以闭 环剪流qt的形式沿蒙皮传递，必须满足以下条件： (1)蒙皮应是封闭的，周边不应有开口，切向应力 沿闭室周边传递。 (2) 在机翼根部，蒙皮应支持在根部加强肋上， 该翼肋能将Mtr转换为力偶Rt； (3) 在使用载荷作用下，蒙皮不应失稳； (4) 蒙皮应有足够的厚度，以防止在飞行中由于 机翼扭转变形。
图4.17 蒙皮的对 接
4.3.2桁条
支持蒙皮形成外形 传递局部气动载荷 参与总体受力(机翼由弯矩引起的轴向力, 这些力的大小取决于机翼的结构受力型式、 桁条横截面的形状和面积。) 桁条质量与机翼质量之比为从梁式机翼 的4~8％到单块式机翼的25~30％。
图4.18 桁条型材的剖面形状
二、单块式机翼传力分析
•弯矩主要的部分将由长桁和蒙皮组成的壁板来承受
•一般都将蒙皮承受正应力的能力折算到桁条上
长桁 空气动力 蒙皮 肋
机身 墙 蒙皮 蒙皮、桁条 围框 围框 机身
围框：拉压、剪切 蒙皮：拉压、剪切
图4.30机翼壁板总体受弯和载荷在元件中的传递1－梁腹板传给缘 条的剪流；2－缘条传给蒙皮的剪流；3－蒙皮对梁缘条的支反力； 4－梁缘条内的轴向力5－长桁内的轴向力；6－蒙皮上的剪流

注意：这些受力形式在同一机翼上可能 混合存在 从现代飞机的冀面结构来看，薄蒙皮梁 式结构已很少采用；大型高亚音速的现 代运输机和有些超音速战斗机采用多梁 单块式翼面结构；而M数较大的超音速 战斗机，很多采用多墙（或多梁）式机 翼结构，间或采用混合式结构型式。
4.4.1 梁式机翼(单梁、双梁和多梁机翼)
一、单梁式机翼 翼梁布置在翼剖面结构高度最大的部位或刚心 处 为形成具有抗扭刚度的闭室，在单梁机翼上布 置一个或两个纵墙
带前后墙的单梁式直机翼
单梁（单、双）墙直机翼的传力分析
长桁 气动力 蒙皮 翼肋 蒙皮
源自文库
墙 长桁 蒙皮 梁 接头 机身
蒙皮
侧边肋
二、双梁式机翼
前梁布置在2030%弦长处 后梁布置在6070%弦长处 相对于后梁，前梁的横截面面积、剖面高度 和惯性矩要大些，它分担大部分的剪力Q和弯 矩M。
β角很小，取cosβ=1，升力由机翼产生
qb l nd GKs
Ks为气动力沿机翼展向的分布不均匀系数
假定气动力分布沿机翼翼展不变(Ks＝1)，于是
nd G qb b S
图4.3 三角机 翼上的气动力 分布
对于三角形机翼
在M<１时，当cysecb=cywbav时，系数Ks等于１ qb=nG/l=常数 当M>1时: qb≈(nG/S)b

部件的集中力产生的 相对于Z轴的力矩
M z P PP xP Ph
图4.9 计算机翼的M图
得到Mz和Q图以后，可以对任一剖面求出力Q作 用点到Z轴的距离：(图4.10)。若已知刚性轴的位置 (距离d)，对它的扭转为Mt=dQ。
图4.10 扭矩Mt
4.2典型受力型式机翼的气动载荷传力分析
Q
l/2
qd z P
l/2
z
p
M
Qdz
z
机翼上的展向分布载荷 近似为：
G Gw nG q qb qw nb (1 mw )b S S
图4.8 转直后的后掠机翼各剖面上的Q和 M(近似值)
三、机翼剖面上的Q和M值的近似求法
如果载荷沿机翼翼展与翼弦长成比例，则在z剖 面处 ：
图4.27双梁式直机翼结构
当蒙皮有足够的刚度时，这样的结构中可以不 用翼肋 将蒙皮厚度减小，而用较密的翼梁或纵墙(或两 者)来加强蒙皮 机翼不仅刚度大，生存力强，而且重量也轻， 因为蒙皮薄，且无普通翼肋。 多梁式机翼(在小后掠角时)扭矩的传递可以近
似地认为与双梁式机翼相似。
三、多梁(多墙)式机翼
二、设计要求
总体要求（4点） 气动要求：保证一定的升阻比K＝cy/cx；由 机翼增升装置产生的升力系数增量△cymax 值要尽可能地大；从亚音速飞行转到超音 速飞行时飞机的稳定性、操纵性和气动性 能的变化要尽可能地小， 热量要尽可能少地传入结构 放置各种装载物的容积要尽量大。

4.1.2机翼的受载
二、机翼在外载荷作用下的受载情况
图4.5 气动载荷沿翼展和翼弦方向的分布
在a-a切面上产生了限 制位移的内力—剪力Q 和弯矩M 相对于z-z轴，产生了 扭矩Mt

剪力Q使翼梁腹 板或墙腹板受剪； 弯矩M作用下机 翼承受弯曲变形 扭矩Mt的作用下 机翼承受总体扭 转变形

机翼的Q 和M图
4.2.1 蒙皮的初始受力
蒙皮支持在桁条和翼 肋上 以压力和吸力形式直 接承受气动载荷。 蒙皮受拉伸（如果是 厚蒙皮—它也受横向 弯曲)。

局部气动载荷传给长桁和翼肋，近似按 对角线划分分配
4.2.2桁条将载荷传到翼肋上
桁条支持在翼肋上 承受蒙皮传递过来的 气动载荷。 桁条受弯
1－补偿片； 2－梁； 3－壁板筋条； 4－整体壁板； 5－角撑； 6－翼肋缘条； 7－翼肋腹板； 8－对接接头。