第3章 飞机结构分析与设计基础

影响选材的因素： 材料成本 加工方法 均质性 机械性能在使用温度范围内的稳定性、耐久性等 最主要要考虑的是材料要在最轻的重量下提供必需 的强度和刚度。 比强度就是比较各种材料的强度和重量特性的判据。

1.拉伸杆比强度
P A P →如何选择材料？
杆中应力：
重量：W=LAρ
∵对于同一零件，在给定的外载下，LPCr=const ∴材料的 度 决定了元件的重量特性，称 为比强
飞机结构设计
第3章 飞机结构分析与设计基础
3.1基本元件的承力特性
尽管一架飞机的机体是由成千上万个零件组 成，其构造相当复杂，但仍然可以认为它是由一 些最基本的元构件组成的。
3.1.1基本元构件及其受力特性
一、紧固件 常用的紧固件有铆钉、螺栓和螺钉。 (1)铆钉：通常把它设计成传剪的受力状态
(2) 螺栓：螺栓既可受剪也能受拉，视具体情况而定.
玻璃/环氧
28～35 107～ 123 100～ 135
碳/环氧
780～800
硼/环氧
700～900
所有材料的强度在重复载荷作用下会急剧下降， 但各种材料强度的下降程度是不一样的 。
图3.18材料的破坏应力与 载荷重复作用次数的关 1 LY12； 230CrMnSiA, b=1200MPa；3LC4； 430CrMnSi2A， b=1800Mpa； 530CrMnSi2A， b=1800MPa，有应力集中
P K1 1 K=EF/L， P K 2 2
在各种形式载荷作用下，静不定结构中各元件分担的 载荷均可按下式计算：
Ki Pi K i P
EJ l 3EJ K 3 l K
3.16(b)，广义力为弯矩，广义位移为转角: 3.16(c)，广义力为剪力，广义位移为挠度: 3.16(d)，广义力为扭矩，广义位移为扭角:
结构设计:尽量使构件按各自的受力特性来 受载，“扬长避短”，才能充分发挥材料的 潜力 传力分析：按各自的传力特性合理简化各构 件、元件(如对梁的缘条可简化为杆元处理， 忽略其承弯能力)，这样既可使分析工作大 大简化，又不致引起太大的误差。
3.1.2基本元构件传力的充分条件I边界条 件
一、杆元件的传力条件
图3.4 板杆结构中的三角形板不受载
厚板是可以承受正应力的。此时，虽然板能直接受 拉，但并不把此力以横向载荷形式传给杆(图3.5)。为 了计算方便，往往把板的抗拉能力折算到杆上去，结 构仍然简化成受剪板和受轴力杆。
图3.5 AB、CD、EF杆不受板内的法向载荷
（2) 平面梁 平面梁可以是薄壁结构组合梁，也可以是整体 梁，它适合于承受梁平面内的载荷。
GJ t K l

注意：刚度分配法要满足“平剖面 ”假 设
3.2.4 结构传力的合理性
评价结构传力的合理性有三条标准：
(1) 结构传力路线短； (2) 结构材料利用率高； (3) 结构综合利用性好。
以上三条标准往往是互相影响的，应该综合考虑 。
3.3 பைடு நூலகம்机结构材料
现代航空结构中最广泛采用的结构材料是 铝合金 镁合金 钛合金 高强度合金钢 不锈钢 复合材料
(3) 螺钉主要用于压紧被连接的零构件，螺钉本身主 要处于受拉状态
二、受力元件 (1)杆——只能承受(或传递)沿杆轴向的分散力或 集中力。 如：长行、翼梁缘条等
(2) 薄板——适合承受在板平面内的分布载荷 如：机翼的墙、翼梁和翼肋的腹板
(a)薄板受剪 (剪切、稳定性）
(b) 薄板受拉；
(c) 薄板受集中力 （附加构件扩散 为分布力）
3.2.3结构的传力特性
一、静定结构的传力特性 静定结构中力的分配是确定的，只与结构的 几何尺寸和力的作用位置有关，与元件本身的刚 度(几何剖面大小、物理性能)无关。
图3.14 静定结构中的载荷分配
二、超静定结构中，支持条件对传力的影响 规律1：其他条件相同时，力向限制变形多(支持 刚度大)的支点传得多。
∴ 表征了压杆的重量综合特征，称 压杆的比强度 为
3、剪切的比强度
一长度为l的梁在剪力P作用下
Pl m b / 称比值b/为材料的剪切比强度。
不同变形情况下比强度的表达式是不一样的。 在拉伸时b/ 在压缩总体失稳时 E1/2/ 在受剪切时b/ 在剪切总体失稳时 3 E / 在弯曲和扭转时分别为b2/3/和b2/3/ 在重复受载时max/
杆元传力的充分条件是杆端头或者杆边有支 持。
(a) 杆元不能承力，也不能传力 (b)、(c)、(d)的杆元能受力和传力。
二、板元的传力条件 板元要能传递剪力，必须四边支持。
图3.10 板元的传力条件
三、平面薄壁梁的传力条件 平面薄壁梁受力的边界条件是至少应有不在一条直线 上的三个约束。而且三个约束(点)的相互位置要合理。
图3.8 双支点圆杆的受载 图3.8 双支点圆杆的受载
已 知 杆 的 剖 面 面 积 F=40mm2 ， 长 度 l=80mm ， 拉 力 P=16000kN，材料的弹性模量E=72000MPa，破坏强度 b =420MPa
在P力作用下，可求得=P/F=400kN，b，强度 足够。若在杆中点C处单独作用一横向集中力Q，并 取max＝b，则可求出此杆所能承受的最大横向力 仅为750N。
26.5 26.5
25 25 26.8 26.8 27 27 27
在选择材在选择材料时，必须要考虑结构工作 的温度条件。
图3.17几种材料的比强度随温度的变化关系 1 LY12；2 30CrMnSiA；3 30CrMnSiNi2A； 4 TC4；5 1Cr18Ni9Ti
在结构中采用复合材料后可以大大地减轻结构重量。
3.1.3基本元构件传力的充分条件II力的作用点
力的作用位置应该是传力元构件能接受的地方。
对于构架，力必须作用在节点上；
图3.12 桁架结构中力的作用点
对于板元，只能承受分散的剪流和正应力。
前面讲到杆元不能承受垂直杆轴线的垂直力；板 元不能承受垂直板平面的力等，都是相对概念，不能 绝对化。比如，由桁条(杆元)、肋(杆元)和蒙皮组成 的构件，受到局部气动载荷时，它们是能传递这部分 垂直力的(后面课程内容还要具体分析)。但是，局部 气动载荷均较小，引起的变形不超过允许值，并且不 影响主要受力情况。
表3.2几种典型复合材料的基本力学性能
材料

kg/m3
1850～ 2120 1280～ 1500 2000
b
MPa
1200～ 1700 1000～ 1200 1400～ 1800
E
GPa
45～70 160～ 180 200～ 270
b/10－3 E/10－
(m/s)2
755～800
6/ (m/s)2
(3) 厚板 各种力（分布、集中，剪力、拉压力）
三、受力构件 (1) 平面板杆结构 它由位于同一平面内的板、杆组成，适合 受作用在该平面内的载荷。因杆宜于受轴向力， 因此可沿板杆结构上的任何杆件加以沿杆轴线 方向的力。四边形薄板受剪。
图3.3板、杆间只传递剪流
由薄板与杆组成的板杆结构中，三角形板不 受载 。
3.4 结构设计的基本理论
飞机结构设计的理论内容十分广泛，涉 及到结构优化设计、结构抗疲劳设计、结构可 靠性设计、结构防断裂设计、计算机辅助设计 技术等内容。本教材只对与结构初始设计相关 的基本内容作一介绍。
3.4.1 结构材料选取的基本方法 材料有很多属性，与结构设计直接相关的属 性主要有：(1) 强度属性：强度极限σb，弹性极限 σ0.2，疲劳强度σ-1，断裂韧性KIC，疲劳裂纹扩展门 槛值ΔKth，等等；(2) 变形属性：拉伸弹性模量E和 剪切弹性模量G；(3) 质量属性：材料密度ρ。除此之 外，材料还有经济属性、加工属性等等。静强度设 计问题一般以比强度作为参数来选择材料，由于不 同受载和变形情况下材料的比强度不同，可以用如 图3.19所示的材料强度－重量特性图进行选材。
图3.19 材料 的强度－重 量特性图
对于刚 度问题 (包括稳 定性问 题)，可 采用图 3.20进
行选材
3.4.2 结构型式选择的基本参数和理论 结构型式决定了结构中载荷的传递方式。从结 构元件截面积的分布看，结构型式大体可分为集中 面积、分散面积和集中分散面积型式，其平面结构 的典型代表是梁、桁架和板杆结构。结构型式的选 择取决于作用在结构上的载荷和结构的几何尺寸， 同时也与结构的材料特性有关。 从结构内力的分配看，结构型式可分为静定结 构和静不定结构，静定结构的内力只与结构元件的 几何位置有关，而静不定结构的内力分配不仅与元 件的几何位置有关，还与元件的刚度有关。

2、压杆的比强度
P A P ●若不出现失稳状 态，则比强度与拉 杆相同
重量：W=ρLA 失稳载荷：
C—与支持条件有关 如二端铰支C=1
二端固支C=4

2、压杆的比强度（续）
∵J的量纲为长度的4次方 ∴J=K·A2 K—与刻面形状有关
为使压杆不失稳，外载

2、压杆的比强度（续）
压杆的重量为：
∵C’只与元件的几何形状和边界条件有关
11 RA P 0.69P 16
5 RB P 0.31P 16
规律 2 ：力的传递与支持点的刚度有关，向刚度大 的支持点传递得多。
(b) ：
RB
5P 5 P 3EJ 16 16(1 3 C ) L
(c) ：当A、B两点支持刚度一样时，RA= RB；MA = MB； 当A点刚度比B点刚度大时，因为D点要求位移同样多 ，才能使DA与DB在D点保持连续。因此，向A边传递的 力较多。


将比强度定义为 将比刚度定义为
表3.1 航空金属结构材料的特性比较
材 料

kg/m3
b
MPa
E
GPa
b/
10－3 (m/s)2
E /
10－ 6/(m/s)2
变形铝合金 铸造铝合金
变形镁合金 铸造镁合金 变形钛合金 铸造钛合金 碳素钢 合金钢 高强度钢
2700 72 148～204 400～550 2700 200～500 72 74～185 1800 45 110～187 200～340 1800 200～270 45 110～150 4500 500～1300 120 110～290 4500 630～860 120 140～190 7800 420～650 210 54～83 7800 800～1600 210 54～206 7800 1600～2400 210 206～306
(a)－平面薄壁梁；(b)－框；(c)－整体翼梁:
(3) 空间薄壁结构与厚壁筒
厚壁筒与空间 薄壁结构(如带腹板 的封闭周缘的薄壁 梁、盒式结构等)经 过合理的安排，可 承受空间任意方向 的力。
图3.7 空间薄壁结构和厚壁筒 (a)－空间盒式结构； (b)－周缘封闭的薄壁梁
受力特性都是相对于结构所能够受力的大小和变形 要求而言的。即在通常所需承受的载荷数值下，构件 不破坏或变形不超过允许值时就认为它能传递此力， 反之就认为不能传递。
三、静不定结构中力的刚度分配法
静不定结构 中，力在各元件中的分配除了与各 元件(或支座)的几何尺寸及作用力的相对几何位置
有关外，还与各元件本身的刚度和支持刚度有关 。
静不定结构中力按刚度分配
拉伸变形协调条件为： l1 l2
P P2 l2 1l1 E1 F1 E 2 F2
P1 P2 K1 K 2

拉压杆的比刚度
P
A
P
重量：W=LAρ 变形量（位移）： 由
杆重量为：

拉压杆的比刚度（续）
∵C只与元件的几何形状和边界条件有关 ∴E/ρ 表征了压杆重量的综合特征，称E/ρ 为拉 压杆的比刚度

弯曲元件的比刚度 M0
重量：W=LAρ 位移：
由
梁的重量为：

不同情况下的比强度、比刚度不同 表征材料重量和强度综合性能的指标叫比 强度 表征材料重量和刚度综合性能的指标叫比 刚度 稳定性问题是一个刚度问题 工程实际中不区别不同情况
3.2结构传力分析的基本方法
3.2.1传力分析的目的 “传力分析”的一般含义如下：当支承在某基础 上的一个结构受有某种外载荷，分析这些外载荷如何 通过结构的各个元件逐步向支承它的基础传递，此过 程称为结构的传力分析。
3.2.2对实际结构进行传力分析的基本方法
（1）对实际结构进行合理简化，略去次要元件和 次要部分； （2）对简化了的具体结构和各元件之间的连接关 系进行分析简化； （3）依次选取结构的各个部分为分离体进行受力 平衡分析。