航空结构设计分析知识点总结.docx

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本文给出了航空结构设计常用的知识点，包含结构设计分析常见的概念，以及知识点说明。

1、“结构”即能承受和传递载荷的系统，也就是所谓的受力结构。

2、“机构”在外载作用下，各部件间发生相对运动，系统自由度数大于约束的数量。

3、“结构”在外载作用下，各部件不发生相对运动，系统自由度数小于约束的数量。

4、颤振是翼面在结构变形与空气动力交互作用下发生的自激振动现象，最基本的颤振是机翼弯扭颤振，飞机低速飞行时，机翼振动会不断衰减。

随着飞行速度增大到某一数值时，机翼振动就会保持等幅，这就是颤振临界状况，与此相应的飞行速度称为颤振临界速度。

5、飞机结构是能够承受和传递飞机载荷的系统，外载在结构中以内力的形式的传递，并最终实现相互平衡。

6、外力=-1×质量力

7、除重力外，作用在飞机某方向上的所有外力（不包括重力）的合力与当时飞机重量的比值，称为该方向上的过载系数，表示了作用在飞机上的不含重力的合外力与重力的比值。

反应了飞机质量力与重力的比率（质量力与外力方向相反，大小相同）如果已知过载系数，则能很方便的求出合外力。

而且过载系数通常与质量无关，在飞机总体质量或局部质量改变时，其总体过载系数或局部过载系数将保持不变，因此在结构设计时，外载往往是以过载系数的形式给出的。

过载系数反映了飞机的机动性能。

如果已知机翼气动力的分布规律，结合过载系数可以获取机翼实际气动力的大小和分布。

过载系数可通过加速度测量仪来确定。

8、典型的疲劳载荷包括：

突风载荷、机动载荷、增压载荷、着陆撞击载荷、机动载荷、地面滑行载荷发动机动力装置的热反复载荷；、地-空-地循环载荷、其他：

机翼尾流对尾翼的周期性作用。

9、鸟撞载荷、冰雹载荷、噪声：

声压场测量动力装置噪音、空气动力噪音、武器发射噪音、瞬时的响应载荷、非正常状态载荷：

单发停车、尾旋、单轮着地、打地转、机头碰地、飞机翻倒、强迫着陆等情况。

10、载荷谱：

载荷随时间变化的历程。

环境谱：

环境强度随时间变化的历程。

11、机翼的功能：

产生升力、内部装置油箱和设备、安装增升装置和倾侧操纵的副翼、固定起落架和动力装置。

12、机翼的设计要求：

满足气动要求、重量要求、使用维修要求、工艺性和经济性要求。

13、机翼的外载：

分布的气动载荷、其他部件的集中载荷、机翼结构的质量力

14、机翼结构组成：

蒙皮、翼梁、长桁、纵墙、翼肋

15、蒙皮：

承受气动载荷、参与总体扭矩的传递、参与总体弯矩的传递。

16、翼梁：

承受总体剪力（Qy）—腹板剪流、参与总体弯矩的传递（Mz）—上下缘条。

17、长桁：

承受气动载荷、参与总体弯矩的传递。

长桁承受局部空气力载荷；支持和加强蒙皮；并将翼肋互相连系起来。

而且还可以承受由弯曲而产生的正应力。

有的机翼为了更加强蒙皮，桁条需要很密，因而导致使用波纹板来代替桁条，或者把桁条与蒙皮作成一体，形成整体壁钣。

18、纵墙（腹板）：

封闭作用、参与总体扭矩的传递、参与总体剪力的传递。

纵樯承受由弯曲和扭转而产生的剪力。

与梁的区别是椽条较弱，椽条不与机身相连。

其长度与翼展相等或仅为翼展的一部分。

纵樯通常放置在机翼的前缘或后缘，与机翼上下蒙皮相连，形成一封闭的盒段以承受扭矩。

在后缘的纵樯，通常还用来连接襟翼及副翼。

19、翼肋：

支持长桁和蒙皮、承受气动载荷、维持机翼形状承受、传递集中载荷不参与总体力的传递。

20、接头：

传递载荷

21、杆：

只能承受或传递沿杆轴向的分布力和集中力。

22、板：

适合承受面内的分布载荷，包括剪流和拉压应力。

23、平面板杆结构：

适合承受平面板杆结构面内的载荷。

24、空间板杆结构：

由平面板杆组成的闭室类结构，可以承受弯、剪、扭载荷。

25、机翼结构的典型受力形式：

梁式机翼、单块式机翼、多腹板式机翼。

26、梁式机翼：

翼梁强—传递弯矩、扭矩、剪力，蒙皮薄—气动载荷，长桁少—参与弯矩传递。

27、单块式机翼：

翼梁弱—传递弯、剪、扭，蒙皮较厚—气动载荷、传递扭矩，长桁强—传递弯矩。

28、多腹板式机翼：

无明显翼梁、腹板多，蒙皮厚，无长桁。

29、尾翼的载荷：

平衡载荷、机动载荷、不对称载荷。

30、传力分析：

当支承在某基础上的一个结构受有某种外载荷时，分析这些外载如何通过结构的各个构件传递给支承它的基础，称之为结构的传力分析。

31、在传力分析时，一般以偏安全简化为原则。

32、刚度分配法：

静不定结构中个元件所分配承担的载荷与它们的刚度大小成正比。

33、机翼与机身的连接：

集中连接形式、中央翼连接形式。

34、机身的功用：

安置空勤组人员、旅客、装载燃油、武器、设备和货物等、连接机翼、尾翼、发动机与起落架，承受由这些部件传来的集中载荷

35、机身的外载：

装载加给机身的力—质量力、其它部件传来的力—机翼、机身、尾翼、起落架等、增压载荷—轴向正应力和环向正应力。

36、机身的结构组成：

蒙皮、桁梁、长桁、隔框

37、典型的机身受力形式：

桁梁式——梁式、桁条式——单块式、硬壳式——多腹板式

38、口框上最大弯矩值位于转角处，开口面积越大，弯矩越大，口框应是能承受弯矩的平面，在转角处应布置加强筋条，防止蒙皮压缩和剪切失稳。

39、飞机结构承载的安全性要求（五不准）：

a各种飞行工况的最大载荷条件下，不发生强度破坏；

b各种载荷工况的最大载荷条件下，不发生过大变形，特别是大的永久变形；不能出现操纵效能降低、失效甚至反效；刚度要求

c结构刚度特性要保障在飞行临界状态不发生结构颤振；

d结构要满足长期随机载荷（小于最大载荷）反复作用下不发生疲劳破坏；

e结构在缺陷状态，满足一定飞行周期的承载（损伤容限）。

41、飞机结构的可靠性要求：

满足强度、刚度、安全寿命、损伤容限的可靠性要求；

结构变形不能影响操纵、影响飞行效率的可靠性要求；

可靠性是结构正常执行功能的度量

42、飞机结构的维修性与经济性要求：

要求结构维修的易检性（可达性）（通道、口盖）；

要求结构的易修理性（修补、更换、拆装）；

要求维修的经济性。

（冰山效应，Concord）

43、静强度设计：

反映了飞机在使用中承受极限飞行条件下最大使用载荷下的安全能力。

（安全裕度/强度裕度）

防止结构在各严重载荷条件下发生强度不足而导致的可能断裂破坏。

设计载荷法

剩余强度（强度裕度）：

为构件的破坏应力/构件极限工作应力；一般控制在0.95～1.05，结构重量较轻。

静强度破坏总原则：

极限载荷作用下，结构保持载荷。

44、稳定性设计：

结构的承载平衡不总是稳定的；特定加载方式下可发生非稳定平衡状态。

结构失去稳定性是指结构的稳定平衡状态发生了变化，且使得平衡变得不稳定，继续承载可能导致“变形过大”、“垮塌或“压溃”的状态。

ⅰ、仅在一些受力形式下可能发生结构的不稳定平衡现象；

ⅱ、约束条件对结构的稳定性支持作用非常明显；

ⅲ、飞机结构中的可能失稳现象（屈曲/皱褶）。

蒙皮、腹板等等

稳定性设计概念是指以某种准则将结构的承载能力控制在出现严重屈曲之前。

（结构材料、构形、边界）

经典四边加筋板：

中间部位先皱褶，但靠近桁材部位，由于支撑较强，仍有较好的承载能力；继续承受载荷直至与桁材一起发生最后失稳。

45、飞机结构的刚度要求：

飞机部件的结构刚度需满足飞机气动布局所设计的气动力性能（升力特性、阻力特性）、飞行的操纵及效率（操纵卡滞、操纵效率不足）、操纵安全性能（操纵弹性延迟）、结构局部的使用性能要求（舱门/振动）、气流扰动作用下不允许由于结构刚度不足带来的不安全（颤振）以及刚度问题引起的较大损伤积累。

46、静刚度特性要求：

机结构构件的刚度与强度是同时存在的，对结构构件以强度、稳定性设计为主（机翼的壁板、各类接头等）；对部件级结构提出静刚度指标要求（机翼挠度、扭转角形变量控制）；有些构件（部位）以刚度设计为主（强度裕度很大，但有使用刚度要求（飞机舱门、大开口部位、操纵/传动支座、舵面转轴等）。

47、静气动弹性问题对结构部件的刚度要求：

机翼盒段的抗扭刚度本身要满足不能使气动力性能发生变化以及在气流扰动下发生剖面扭转角扩大（发散）的可能；机翼盒段（副翼连接段）的抗扭刚度要满足舵面操纵效率的要求，且不能使其在气流扰动下发生副翼失效或反效的可能。

48、动气动弹性问题对结构部件的刚度要求：

机/尾翼及副翼受气流扰动条件下，在一定速度范围内不允许发生颤振发散（扰动激励下的一种振动发散方式）。

49、振动工作环境的结构部位，不应发生结构共振：

机结构的进气道、操纵系统或某些结构部位（如舵面）避免由发动机噪声振动源、紊流产生的涡流或激波脉动压力所引起的共振或抖振（强迫振动）。

50、飞机翼面结构上的三种力、三个心：

气动力、弹性力、质量力；焦点、刚心、质心。

51、静气动弹性与动气动弹性问题的区别：

静气弹仅关心气动力（由任何飞行条件变化引起的气动力增量与升力面结构刚度（弹性力）之间耦合作用，是静力平衡的稳定性问题。

一般有三类：

※机翼扭转扩大（形变发散）问题

※副翼反效（操纵效能）问题

※气动弹性载荷修正

※动气动弹性则关心气动力扰动激励作用下，由气动力增量、结构刚度以及质量力三者交互作用时，能否产生自激振动的发散（振幅扩大）。

这种自激振动的发散与飞机飞行速度相关，是一个飞行性能与安全性的问题。

52、静气动弹性问题中的扭转扩大：

气动力增量（ΔY）绕刚心产生扭转力矩增量Mα=ΔYd（与飞行速度的平方成正比）；

盒段弹性将提供抵抗变形的内力矩抗衡该升力力矩增量Mk，刚度较小，Mα>Mk（扭角扩大，气动力矩，变形发散）；超音速时压心及焦点后移，在扰动作用下扭转扩大一般不易出现；前掠机翼的扭转扩大比后掠翼尤为严重；对一定的结构刚度设计，总存在一个飞行临界速度。

53、前掠机翼的扭转扩大比后掠翼尤为严重的两种解释：

A--假设气动力的肋剖面合力作用的在刚轴上，机翼纯弯，后掠翼顺气流剖面上后缘点位移大于前缘点位移，导致翼剖面低头，抑制了气动力增量的增大；反之前掠翼顺气流剖面上的后缘点位移小于前缘点位移，导致翼剖面抬头，增强气动力增量的增大，扭转扩大严重。

B--后掠翼是下洗气流，抑制气动力增量增大；前掠翼是上洗，增强气动力增量增大，扭转扩大严重。

54、静气动弹性问题中的副翼反效：

副翼偏转产生向上升力ΔYa（在刚心之后），这使结构剖面低头扭转，导致结构剖面迎角降低；反过来这又产生了向下的升力ΔYk,来抵消副翼偏转产生的升力，致使效率降低、反效；可近似认为操纵力不变，显然也存在个临界速度；对大展弦比后掠翼，机翼扭转刚度问题更突出（扭转刚度与展长成反比）。

55、静气动弹性的刚度设计措施：

提高升力面结构剖面的扭转刚度或使刚心前移,对任一机翼受重量约束不能无限制；

适当提高升力面结构剖面的抗弯刚度（不至引起展向气动力分布的额外变化，减少翼尖分离，对后掠翼重要）；

对大展弦比后掠翼高速时，可增加扰流片（大飞机常用，用于改善气动力分布）；

复合材料气动剪裁优化设计（利用弯扭耦合性质，对前掠机翼必须，对其他机翼也有不增加结构重量的意义）。

56、机翼弹性弯扭变形耦合导致的颤振：

振动过程中由于弯扭耦合吸收了气动力使其在过程中作功。

57、固有频率特性在颤振中的作用：

弯曲振动过程中可形成对刚心的周期性力和矩（质量力和气动力增量之和）；

不同结构元件对弯曲频率与扭转频率的贡献不同；

弯曲频率与扭转频率相近，则会导致小的质量力矩产生大的扭转周期变形（共振）；从而吸收空气动