飞机结构设计

• 由蒙皮、桁条和缘条组 成一整块构件。现代飞 机多采用单块式机翼。
• 特点：蒙皮较厚；桁条 较多而且较强；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。
• 优点：能较好的保持翼
形；抗弯、扭刚度较大；
2.2.3 单 块 式 机 翼 ： 梁 弱 ，
•
受力构件分散； 缺点：不便于开大舱口；
• 蒙皮大部分铆接在桁条上，小部分铆接在框 架上。
机身主要构件：桁条
• 桁条主要承受机身弯曲时产 生的轴向力。
• 桁条对蒙皮有支持作用。
机身主要构件：大梁（龙骨梁）
龙骨梁是一个主要纵向机身部件，对机身、机翼和起落架是一个重要的支撑部件。
机身主要构件：隔框
• 机身隔框分为普通隔框和加强隔框。 • 普通隔框的作用是保持机身的外形、提高蒙
层流
紊流
机翼的功用：产生升力
伯努利定理: 流体流动速度增加会导致流体压力降低。
机翼的功用：产生升力
速度越快，气压越小，上下表面的压力差 就提供了升力
v2 0 飞机在飞行中的升力
Y

CY

1 2

2S
25
如何提高升力？
Y

CY

1 2

2S
• 提高升力系数（翼型、迎角） • 提高发动机功率 • 增大机翼有效面积
机翼的功用：产生升力
层流和紊流
“层流” 是较平静地流过物体表面的流体； “紊流” ，或者叫作扰流、湍流、涡流，则是不稳定的、扰动着 流过物体表面的流体。 气流流经物体一定距离后，表面的层流就会发生转捩，进而形成紊 流。而流经的距离越长，附面层将会越厚。
层流和紊流
“层流” 是较平静地流过物体表面的流体； “紊流” ，或者叫作扰流、湍流、涡流，则是不稳定的、扰动着 流过物体表面的流体。 气流流经物体一定距离后，表面的层流就会发生转捩，进而形成紊 流。而流经的距离越长，附面层将会越厚。
偏航运动
航向安定面——垂尾
机翼的功用：提供操纵面
副翼
升降舵
方向舵
后缘襟翼
前缘襟翼
扰流板
民航客机的扰流板位于 机翼的上表面、后缘襟 翼之前。
机翼结构
机翼的功用：安装发动机
机翼的功用：安装油箱
机翼油箱
机翼的功用：安装起落架
2.2 机翼结构
机翼上的外部载荷
2.2.1布质蒙皮机翼
• 蒙皮是构成并保持机翼形状不可缺少的结构 元件。早期飞机上的布质蒙皮(蒙布)仅起维持外 形的作用，气动力通过蒙布的张力传递给机翼骨 架。随着飞行速度的提高，气动载荷增大，蒙布 因难以保持外形而渐被淘汰。
多长桁、厚蒙皮
不便于承受集中载荷； 接头连：接复杂。
• 单块式机翼
现代飞机多采用单块式机翼。
蒙皮
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
副翼
翼梁
襟翼
2.2.4 多墙式机翼：梁弱，多纵墙，厚蒙皮。
特点：有较高的应力水平和结构效率，刚度大，受 力分散，破损安全特性好，但不易大开口，连接 复杂。
机身
机身的空气阻力
• 机身的阻力占整个飞机阻力的较大部分。 • 机身要具有良好的流线型、光滑的表面、
合理的截面形状和尽可能小的横截面积。
机身外部载荷
机身承受由机翼、尾翼、起落架等部件的固定接头传来的集中载荷，同 时还有承受机身上各部件的重力，以及结构本身的重力。
机身和机翼一样，同样承受着弯矩、剪力和扭矩。
线段长度。翼型最大厚度tmax与弦长c之比，称为翼型的相 对厚度t/c或，并常用百分数表示，即
t t / c tmax 100% c
常规翼型
超临界翼型
超临界机翼缺点：
（1）机翼后部弯曲度大导致低头 力矩过大需要更高的尾翼载配平， 会抵消一部分机翼升力； （2）较薄的后部机翼也不利于结 构设计，不便安装增升装置。
增压舱五问
• （1）问：客舱为什么要增压？ • 答：客舱增压的主要原因是因为现在
的飞机飞行高度有了增加。由于低空 大气存在很大的不稳定性以及低空空 域日渐拥挤，所以现在的飞机开辟了 在高空的新航路。飞行高度的升高随 即带来了客舱压力降低等一系列后果。 当飞机飞到7000米的高度时，人体会 感到明显的不适。故此为了保证乘客 的安全和乘坐时的舒适度，飞机必须 进行客舱增压。一般需保持在飞机的 最大飞行高度下，客舱内的压力水平 必须保持同2400米高度时大气压力相 同。
影响升力系数的因素之一：迎角
影响升力系数的因素之一：翼型
机翼的剖面形状(翼型)
凹凸型 平凸型 双凸型 对称型
机翼翼型的几何参数
厚度
中弧线
前缘
后缘

弯度
弦线
后缘角
弦长c
• 弦长 连接翼型前缘(翼型最前面的点)和后缘(翼型最后面的 点)的直线段称为翼弦（也称为弦线），其长度称为弦长，用
c表示。
• 相对厚度 翼型的厚度是垂直于翼弦的翼型上下表面之间的直
• （2）不对称载荷，如 水平尾翼不对称载荷， 垂尾侧向水平载荷，单 主轮着地的撞击力，飞 机转弯或侧换时机身部 件的侧向惯性力。
3.1.1桁架式机身
• 弯矩：四根缘条承受 • 剪力：支柱和斜支柱承受 • 扭矩：四个平面构件组成
的立体结构承受
• 特点：抗扭能力差，空气 动力性能差，只适合低速 飞机
飞
机
结
构航 空
工 程 学
孟 令
院兵
固定翼飞行器
旋转翼飞行器
直升机
旋翼机
旋转翼飞行器
共轴双旋翼直升机
交叉双旋翼
倾转旋翼飞机
旋翼和固定翼组合飞机
扑翼飞行器
1 飞机机体的组成
• 机身 • 机翼 • 安定面 • 飞行操纵面 • 起落架
飞行载荷
飞机载荷： 飞机在滑行、起飞、 着陆和飞行中所受的气 动力、重力、推（拉） 力和地面反作力。
• （1）桁架式中央翼盒
• （2）多梁式中央翼盒
中央翼盒
空客A400m运输机中央翼 盒
C17运输机中央翼 盒
C919中央翼盒 C919中央翼
中央翼盒
C-17机翼部分插入机舱，致货舱高度较低。运20的中央翼高出机体， 因此不存在这一问题。
3.1 机身结构
• 作用： • （1）固定机翼、尾翼、
起落架等部件，使之连 成一个整体。 • （2）装人、载货、装燃 油以及各种设备。
影响升力系数的因素之二：机翼面积
双翼机和三翼机
翼展相对较窄的三层机翼飞机具有极佳的机 动性能，最适宜近距离格斗，所以获得了许 多艺高胆大的尖子飞行员的青睐。
一战时期世界头号空战王牌、个人战 果高达80架的里希特霍芬男爵的最后座机-福克Dr-1三翼机。
红男爵：里希特霍芬
单翼机
零式战斗机
• 发动机功率增大 • 航空材料的发展 • 强度计算方法的改进 • 设计和制造经验的积累 • 刹车装置 • 增升装置
其主要功用是： （1）支持蒙皮，防止蒙皮因 受局部空气动力而产生变形 过大； （2）把蒙皮传来的气动力传 给翼肋； （3）同蒙皮一起承受由弯矩 而产生的拉、压力。
翼肋：维持翼剖面形状
横向构件：普通翼肋，加强翼肋
• 普通翼肋：用来维持翼剖面形状， 将蒙皮上的空气动力传到其它承力 构件上去，并支持桁条和蒙皮。
皮的稳定性和承受局部气动力。 • 加强隔框除了上述功能外，还可承受大的集
中载荷。
机身主要构件：地板梁
• 地板骨架由纵梁和横梁 组成。
• 横梁两端连接在机身隔 框上，并与纵梁和垂直 柱构成承力骨架。
• 纵梁还可以作为安装和 固定座椅的导轨。
3.2 增压座舱结构
增压舱是将机身的 一部分做成密封结构，从 气源系统引出的增压空气， 经空调和压力自动调节装 置后进入座舱，可保证座 舱内的压力按预定的规律 变化。
机身与机翼受力比较
• （1）机翼承载的主要是 分布载荷（气动力），而 机身主要承载各部件传来 的集中载荷。
• （2）机翼水平方向的抗 弯刚度很大，可以不考虑 水平载荷的影响。机身必 须考虑横向水平载荷的影 响，因为机身近似圆形， 横向水平和垂直方向的抗 弯刚度和载荷都差不多。
机身外部载荷
• （1）对称载荷，如飞 机两主轮同时着地承受 的地面撞击力。
增压舱五问
（2）问：飞机的增压区域有哪些？ • 答：飞机的主要增压区域包括驾驶舱、客舱和货舱。
横向稳定性：
是飞机抵抗飞行滚 转角扰动的固有能力。
滚转运动
横向安定面——机翼
上单翼、中单翼和下单翼
上单翼
中单翼 下单翼
上反角和下反角
飞机横向静稳定性
• 上反角增加横向稳定性Hale Waihona Puke Baidu• 上单翼增加横向稳定性
纵向稳定性：
是飞机抵抗俯仰角 扰动的固有能力。
俯仰运动
水平安定面——平尾
航向稳定性：
是飞机抵抗偏航角 扰动的固有能力。
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。
桁条
翼肋
缘条
蒙皮
翼 腹板 梁
缘条
表示铆接 关系
机翼组成：中央翼、左外机翼和右外机翼
中央翼盒
• 中央翼盒是连接左右大翼的 结构，承受和传递飞机起飞、 巡航和着陆过程中机翼及机 身传来的各种载荷，是整架 飞机受力最重要的部件。一 般在机身内部，与机身结为 一体。通常只有受力结构， 没有完整的机翼外形。中翼 是中机身客舱地板的支持构 件，也是飞机油箱。
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纵墙(腹板):相当于翼梁，
但缘条很弱，甚至没有缘条。 墙一般不能承受弯矩，所以与 机身的连接为铰接，但纵墙能 承受剪力，可和蒙皮组成封闭 盒段承受扭矩。
1.腹板 2.弱缘条
纵墙
纵墙与翼梁构造相似， 但缘条很弱，甚至没有 缘条。它多布置在靠近 前后缘处,用于传递切力 载荷,增加机翼扭转刚度。
长桁
早期的机身——木制或金属管行成的机身骨架
优点：结构简单 便于制造
缺点：最大的缺点不流线，气动
性差 ；抗扭刚度差 容积利用差
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3.1.2硬壳式机身
特点： （1）由蒙皮和少量框架、隔框组成。 （2）没有纵向加强件 （3）蒙皮必须足够强以维持机身的刚性。 • 优点：弯、扭刚度大 • 缺点： • （1）结构太重，蒙皮材料利用率低 • （2）开口补强增重较大。 • 所以这种机身型式实际上用得很少。
• 加强翼肋：除具有普通翼肋的功用 外，还作为机翼结构的局部加强件， 承受较大的集中载荷或悬挂部件。
蒙皮
• 承受空气动力，形成和维持机翼外形，并承受扭矩，有 些机翼蒙皮还承受弯矩。
接头:用来连接机翼与机身，
把机翼上的力传递到机身隔框上。 接头分为固接和铰接两种，固接 的接头，接点既不可移动，也不 可转动；因此，它既能传递剪力 又能传递弯矩。铰接不可移动、 但可以旋转，只传剪力，不传弯 矩。
早期采用硬壳式机身的飞机
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3.1.3半硬壳式机身
（1）桁梁式机身 由大梁、较弱的桁条、 蒙皮和隔框组成
①大梁较强（4根）
②桁条弱且少 ③蒙皮薄 优点：可以开大的舱口 而不会显著地降低结构 的强度和刚度
缺点：不宜高速飞行
3.1.3半硬壳式机身
受力特点：
• 剪力和扭矩引起的剪 流全部由蒙皮承担；
重点是升力的变化
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飞机载荷
• 重力 • 升力 • 阻力 • 推力
弹性变形：外力去除后变形完全消失
塑性变形：外力去除后无法自行恢复
刚度：抵抗变形的能力
强度：抵抗破坏的能力
硬度：抵抗侵入的能力
稳定性：抵抗失稳破坏的能力
2.1 机翼的功用
功用： （1）产生升力 （主要作用） （2）使飞机具有横侧安定性和操纵性 （3）安装发动机、起落架、油箱及其 它设备
以上措施克服了单翼 机的缺陷，使单翼机从此 走上历史舞台。
机翼的平面形状
椭圆形 矩形
梯形
后掠翼 三角翼
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机翼的平面形状
平直翼（全球鹰）
后掠翼（苏-27）
联翼布局（翔龙）
前掠翼（S-37“金雕”）
三角翼（台风）
变后掠翼（苏-24）
三翼面布局（苏-35）
飞翼布局（B-2）
乘波体布局
升力体布局
机翼的功用：提供衡向稳定性
• 飞行者一号”的机翼是由云杉木和帆布构成，飞行 员通过线缆和铰链来控制机翼的弯曲和扭转。
2.2.2 梁 式 机 翼 ： 梁 强 ， 少长桁，薄蒙皮
• 机翼梁承受主要 弯矩和剪力
• 优点：便于开口、 与机身连接简便。
• 缺点：高速时蒙 皮易变形，抗扭 刚度较差。
翼梁
• 最强有力的纵向构件，承受全部或大部分的弯矩 和剪力。翼梁由缘条、腹板和支柱等组成，剖面 多为工字型。翼梁固定在机身上。
• 弯矩引起的轴向力主 要由桁梁承受；蒙皮 与长桁至承受很小部 分轴力。
半硬壳式机身
（2）桁条式机身
由桁条、蒙皮和隔框组成
①无大梁
②桁条强
③蒙皮厚
优点：机身结构抗扭刚度大， 适用于高速飞机。
缺点：不宜开大的舱，如果要 开口，需要在开口处用专门构 件加强。
机身主要构件：蒙皮
• 和机翼蒙皮一样，用于维持机身外形，同时 和支撑它的构件一起承受和传递气动载荷和 弯矩。