第一章 飞机结构(2)

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机翼在外部载荷作用下，象一根固定在机 身上的悬臂梁一样，要产生弯曲和扭转变 形，因此，在这些外载荷作用下，机翼各 截面要承受剪力、弯矩和扭矩。 机翼结构质量力是机翼结构重量和它在飞 行中产生的惯性力的总称，即机翼结构重 量和变速运动惯性力。
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(升力) Y
R (总空气动力)
X (阻力)
相对气流方向
1.3
机翼结构
1.3.1 机翼的功用
产生升力。当它具有
上反角时，可为飞机提 供一定的横侧稳定性。
有横向操纵用的副翼、
扰流片等。为了改善机翼 的空气动力效用 在机翼的前、后缘越来 越多地装有各种形式的襟翼、 缝翼等增升装置，以提高 飞机的起降或机动性能。 机翼上常安装有起落架、 发动机等其它部件。机翼 的内部空间常用来收藏主 起落架和贮存燃油 .
二、后掠机翼各截面的剪 力、弯矩和扭矩图
剪力图
弯矩图
扭矩图
机翼结构的典型元件
蒙皮 桁条 翼肋
翼梁缘条
翼梁腹板
纵向元件有翼梁、长桁、墙(腹板) 横向元件有翼肋(普通翼肋和加强翼肋) 以及包在纵、横元件组成的骨架外面的蒙皮
机翼的特点是薄壁结构，因此以上各元件之间的连接大 多采用分散连接：如铆钉连接、螺栓连接、点焊、胶接 或它们的混合形式——如胶铆等。
金属蒙皮机翼
• 机翼的典型受力形式有：梁式、单块式、 多腹板式或混合式等薄壁结构，此外还有 一些厚壁结构(如整体壁板式)的机翼。 • 梁式机翼通常有单梁式和双梁式两种。它 们装有一根或两根强有力的翼梁，蒙皮很 薄，桁条的数量不多而且较弱，有些机翼 的桁条还是分段断开的。
• 梁式机翼的桁条承受轴向力的能力极小， 其主要作用是与蒙皮一起承受局部空气动 力，并提高蒙皮的抗剪稳定性，使之能够 更好地承受扭矩。这种机翼蒙皮的抗压稳 定性很差，机翼弯曲时受压部分的蒙皮几 乎不能参与受力；而受拉部分的蒙皮，由 于截面积很小，分担的拉伸力也很小。由 此可见，弯矩引起的轴向力主要是由翼梁 缘条承受的。所以，这种机翼叫做梁式机 翼。
说明单块式机翼蒙皮在机翼受力、传力 中的作用？
• 1、形成机翼的气动外形，承受机翼表面的 气动载荷； • 2、与翼梁腹板或墙腹板组成闭室，受剪传 递扭矩； • 3、与长桁、梁缘条组成壁板，受拉压传递 弯矩。
机翼型式 梁式机翼 单 块 式
蒙皮 薄 厚
桁 条 弱，少，有时断开 多，强
翼 梁 强，承受剪力和弯矩 较弱，承受剪力，小部分弯矩
• 腹板式普通翼肋通常都用铝合金板制成，其弯边用来同蒙 皮和翼梁腹板铆接。周缘弯边和与它铆接在一起的蒙皮， 作为翼肋的缘条承受弯矩。翼肋的腹板则承受剪力。这种 翼肋的腹板，强度一般都有富裕，为了减轻重量，腹板上 往往开有大孔。利用这些大孔还可穿过副翼、襟翼等传动 构件。为了提高腹板的稳定性，开孔处往往还压成卷边， 有时腹板上还铆着加强支柱，或者压成凹槽。
内力和应力的概念
• 内力：当构件受到外力作用而变形时，材 料分子之间的距离发生变化，这时分 子之间会产生一种反抗变形，力图使 分子间的距离恢复原状的力。 • 应力：构件在外力作用下，单位横截面面 积上的内力。 • 应力可分成垂直于所取截面和平行于所取 截面的两个分量。垂直于横截面的应力称 为正应力，平行于横截面的应力称为剪应 力。
• 单块式机翼的受力特点是：弯曲引起的轴 向力由蒙皮、桁条和缘条组成的整体壁板 承受。剪力由翼梁腹板承受。扭矩由蒙皮 与翼梁腹板形成的闭室承受。 • 单块式机翼的优点是：① 通较好地保持翼 型。② 抗弯、扭刚度较大。③ 受力构件 分散。 • 缺点是：①不便于开大舱口。②不便于承 受集中载荷。③接头联接复杂。
飞机承受的五种主要应力
所有飞机都承受有五种主要应力 • 拉伸应力 • 压缩应力 • 扭转应力（扭矩） • 剪切应力 • 弯曲应力（弯矩）
拉伸
压缩
扭转
剪切
弯曲
拉伸
中性层
压缩
• 拉伸应力是抵抗试图拉断物体的应力。压缩 应力是抵抗压力的应力。 • 扭矩是产生扭转变形的应力。 • 剪切应力是抵抗力图引起材料某一层与相邻 一层产生相对错动之力的应力。 • 弯曲应力是压缩应力和拉伸应力的组合。当 杆件受到弯曲作用时，弯曲的内侧面缩短 （压缩），而弯曲的外侧面拉长（拉伸）。
缘条
腹板 腹板式翼梁 A—A 截面
整体式翼梁 B—B 截面
斜支柱 直支柱 缘条 桁架式翼梁
二、长桁(也称桁条)
长桁的主要功用是： ☺支持蒙皮，防止在空气动力作 用下产生过大的局部变形，并 与蒙皮一起把空气动力传到翼 肋上去； ☺提高蒙皮的抗剪和抗压稳定性， 使蒙皮能更好地参与承受机翼 的扭矩和弯矩； ☺长桁还能承受由弯矩引起的部 分轴力。
• 加强翼肋除具有上述作用外，还要承受和 传递较大的集中载荷。
强度和刚度的概念
• 构件在外力作用下，抵抗破坏（或断裂） 的能力叫做构件的强度。 • 构件在外力作用下抵抗变形的能力称为构 件的刚度 • 要保证构件正常工作，构件必须具有足够 的强度、刚度和稳定性。构件的强度、刚 度、稳定性与其材料的性质、截面尺寸和 形状有关。另外构件的强度和刚度还与使 用、维护的条件有关。
第一章 飞机结构
1.2 载荷、变形和应力的概念
载荷及其分类 • 任何结构和结构中的各个构件，在工作过 程中都会受到其它物体对它的作用力，这 种作用力通常叫做载荷（或外部载荷） • 按作用方式，载荷主要分为集中载荷和分 布载荷 . • 根据载荷作用于构件的性质的不同，载荷 可分为静载荷和动载荷。
气动力分布载荷
紧 紧 松
翼梁
松
翼肋
张线
金属蒙皮
加强翼肋 翼肋 张线
副翼
布质蒙皮
• 弯矩引起的轴向力，全部由翼梁缘条承受； 剪力由翼梁腹板承受；扭矩则由翼梁、加 强翼肋和张线组成的桁架来承受。 • 由于机翼前缘的局部空气动力较大，布质 蒙皮机翼的前缘常采用薄金属蒙皮制成。 这种机翼的扭矩，一部分由加强翼肋、张 线等组成的桁架承受，另一部分则由前缘 蒙皮和前梁腹板组成的合围框承受。
迎角α
机翼的受力图
• 机翼主要受两种类型的外载荷： • 一种是以空气动力载荷为主，包括机翼结 构质量力的分布载荷； • 另一种是由各连接点传来的集中载荷。这 些外载荷在机身与机翼的连接处，由机身 提供的支反力取得平衡。
气动力分布载荷
• 飞机在飞行中，作用在机翼上的外载荷有：空气 动力、机翼结构质量力、部件及装载质量力，如 图所示。其中，空气动力分布载荷是机翼的主要 外载荷。
机翼的配置
• 干扰阻力：中单翼最小 • 容积利用：上单翼最优
上单翼
中单翼
• 维护工作：下单翼最好
下单翼
机翼上的外载荷
机翼上所受的剪力、弯矩、扭矩
垂直剪力
垂直弯矩 水平弯矩
水平剪力
扭矩
•由于机翼结构沿水平方向尺寸较大，因而水平剪力和水平弯矩对飞机结构受 力影响较小，在受力分析时只分析垂直剪力、扭矩和垂直弯矩。
多腹板式(或为多梁式)：
• 这类机翼布置了较多的纵墙(一般多余5个)；蒙皮 较厚(可从几mm到十几mm)；无长桁；有少肋、多 肋两种。但由于受集中力的需要，每侧机翼上至 少要布置3～5个加强翼肋.
机翼的平面形状
• 分为：直机翼、后掠翼、三角翼、 小展弦比直机翼四种 直机翼主要用于低速飞机上。后掠翼主 要用于高亚音速和超音速飞机上。国外还有 变后掠机翼的飞机，后掠角可在20°～ 70°之间变化，以适应飞机低空低速、高 空高速、低空高速的性能变化要求。三角翼 和小展弦比直机翼用于超音速飞机上不同类 型的平面形状的机翼。
桁条
翼肋
缘条
腹板
翼 梁
蒙皮
缘条
表示铆接关系
• 各种构件的基本作用不外乎有两方面： 一是形成和保持必需的机翼外形； 二是承受外部载荷引起的剪力、弯矩和扭矩。 • 形成机翼外形的基本构件是翼肋和蒙皮 • 翼肋的形状就是根据选定的翼型制成的。蒙皮包在整 个机翼骨架外面，可以保证机翼外表光滑和形成必要 的翼型 • 桁条对保持机翼的外形也有一定作用，因为它能支持 蒙皮，防止蒙皮产生过大的变形。
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纵墙(包含腹板)
• 纵墙的缘条比梁缘条弱得多，但大多强于 一般长桁，纵墙与机身的连接为铰接。有 些腹板没有缘条，有些腹板的缘条与长桁 一样强。墙和腹板一般都不能承受弯矩， 但可以与蒙皮组成封闭的盒段来承受机翼 的扭矩。后墙则还有封闭机翼内部容积的 作用。
三、翼肋
• 翼肋是机翼结构的横向受力构件 • 翼肋按其功用可分为普通翼肋和加强翼肋两种。 • 普通翼肋的功用是：构成并保持规定的翼型；把 蒙皮和桁条传给它的局部空气动力传递给翼梁腹 板，而把局部空气动力形成的扭矩，通过铆钉以 剪流的形式传给蒙皮；支持蒙皮、桁条、翼梁腹 板，提高它们的稳定性等。
剪力图
弯矩图
扭矩图
试说明作用在平直机翼上的集中载荷对 机翼剪力、弯矩的影响？
使机翼剪力在集中载荷作用截面发生突变； 弯矩发生转折。集中载荷作用截面以内机翼 各截面上的剪力和弯矩减少。
试说明作用在平直机翼上的集中载荷对机翼扭矩的影响？
使机翼扭矩在集中载荷作用 截面上发生突变。变化值等于 集中载荷与集中载荷作用点到 机翼刚轴距离的乘积。
• 机翼结构中承受剪力、弯矩和扭矩的基本构件是翼梁、 桁条和蒙皮 。
A
Q (剪力)
Q前腹板
Q后腹板 C
B M弯 N压 M扭
τ
扭
N拉
• 剪力主要是由翼梁腹板承受的。 • 弯矩引起的轴向力是由翼梁缘条、桁条和 蒙皮共同承受的。 • 扭矩是由蒙皮形成的整个合围框承受的。
机翼结构形式：布质蒙皮机翼
布质蒙皮 扭矩 加强翼肋
蒙皮
• 单块式机翼 现代飞机多采用单块式机翼。 单块式机翼的构造特点是：蒙皮较厚；桁条 较多而且较强；翼梁的缘条较弱，有时缘 条的横截面积和桁条差不多。
翼肋
桁条
翼梁 副翼
襟翼
• 这种机翼的蒙皮，不仅具有良好的抗剪稳 定性，而且有较好的抗压稳定性，因此， 它不仅能更好地承受机翼的扭矩，而且能 同桁条一起承受机翼的大部分弯矩。由于 这种机翼结构，是由蒙皮、桁条和缘条组 成一个整块构件来承受弯矩所引起的轴向 力，所以叫做单块式机翼。
A—A 截面
B—B 截面
D—D 截面 C—C 截面 支柱
机翼构件构造
• 一、翼梁 • 翼梁由腹板和缘条(也称凸缘) 组成。缘条横剖面形状多为 “T”型材或角型材。腹板上还 铆接上许多支柱，这些支柱 起连接翼肋和提高腹板受剪 稳定性的作用。缘条和腹板 的横剖面面积，由翼尖向翼 根逐渐增大。 • 翼梁的主要功用是承受机翼 的剪力和部分或全部弯矩 。
• 梁式机翼的受力特点是：弯曲引起的轴向 力主要由翼梁的缘条承受。剪力由翼梁的 腹板承受。 • 对双梁式机翼的扭矩可由前后梁腹板与上 下蒙皮组成的盒段（合围框）、前梁腹板 与前缘蒙皮组成的盒段承受。 • 梁式机翼的主要受力构件是翼梁，因此， 它具有便于开口、与机身 (或机翼中段) 连 接较简便等优点。
机身反作用力
机翼质量力分布载荷
发动机集中 载荷
空气动力分布载荷
机翼重力 分布载荷
P部件
一、平直机翼各截面的 剪力、弯矩和扭矩图
①如果机翼上只有空气动 力和机翼结构质量力，则 越靠近机翼根部，横载面 上的剪力、弯矩和扭矩越 大。 ②当机翼上同时作用有部 件集中质量力时，上述力 图会在集中质量力作用处ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ产生突变或转折。
梁式、单块式机翼的结构特点
剪 机翼型式
力
弯
矩
扭 矩
翼梁腹板 梁式机翼
翼梁缘条 蒙皮与翼梁腹板的盒段 翼梁缘条、桁条、蒙皮 组成壁板
单 块 式
翼梁腹板
蒙皮与翼梁腹板的合段
梁式、单块式机翼的受力特点
梁式机翼和单块式机翼在构造和受力上 有什么不同？
答案要点：梁式机翼的蒙皮较薄，桁条较弱且较少。 桁条主要作用是支持蒙皮，承受局部气动力和提 高蒙皮的抗剪能力。由弯矩引起的拉力和压力主 要由翼梁缘条承受。 单块式机翼的蒙皮较厚，桁 条较多且较强。它的横截面面积与梁缘条的横截 面面积相近。上、下翼面的桁条和蒙皮通过受压、 拉承受绝大部分弯矩。
2.1.2 机翼的外载荷
• 飞机在飞行中，作用在机翼上的外载荷有：空气 动力、机翼结构质量力、部件及装载质量力，如 图所示。其中，空气动力分布载荷是机翼的主要 外载荷。
机身反作用力
机翼质量力分布载荷
发动机集中 载荷
构件在载荷作用下的变形
• 构件在载荷作用下，其尺寸和形状都会有不同 程度的改变，这种尺寸和形状的改变叫做变形。 • 构件在载荷作用下所产生的变形，当载荷去掉 后即能消失的变形，叫弹性变形。不能消失的 变形叫永久变形（或残余变形）。