航空结构技术教案课件

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1、,#,单击此处编辑母版标题样式,会计学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,会计学,1,航空结构技术,2,第二章 飞机的外载荷和设计情况,2.1,飞机的外载荷和过载,2.2,安全系数与设计载荷,2.3,飞机设计情况,作用在飞机上的外载荷,过载或过载因数,使用载荷,设计载荷,安全系数,典型飞行情况与机动过载,对称机动飞行包线与相应参数确定,突风过载飞行包线,弹性变形引起载荷修正,飞机外载荷,飞机飞行情况与过载,设计载荷与安全系数,第1页/共34页,3,第二章的知识重点,2.1,飞机的外载荷和过载,2.2,安全系数与设计载荷,2.3,飞机设计情况,作用在飞机上的外载荷,过载和

2、过载系数,使用载荷,设计载荷,安全系数,典型飞行情况与机动过载,对称机动飞行包线与相应参数确定,突风过载飞行包线,弹性变形引起载荷修正,第2页/共34页,4,飞机的外载荷,结构设计载荷还应考虑惯性载荷和使用过程中的其它载荷，如增压舱载荷等。,对于复合材料还应更多的考虑环境造成的载荷。如温度和湿度造成的载荷。但通常将其放在材料的安全系数之中。,第3页/共34页,5,外载荷和结构设计,飞机的外载荷及强度规范是结构设计、强度计算的重要依据。,本章主要介绍如何确定结构设计所需的外载荷,。,使用过程中，影响飞机结构强度的主要载荷有：,影响飞机结构强度的主要载荷,飞行中的空气动力,重 力,着陆时的地面冲击

3、力,这章介绍的内容：飞机飞行中的载荷,第4页/共34页,6,升力,Y,（,L,）,阻力,X,（,D,）,动力装置产生的推力,T,（,F,）,起飞着陆时作用在前、主起落架的地面反力,P,n,、,P,m,外界作用在飞机上的外力有：,表 面 力,质量力,与飞机的质量,m,有关的力，其中包括飞机总重,G,和惯性力,N,。,第5页/共34页,7,空气动力与惯性载荷,局部结构设计载荷和惯性载荷,第6页/共34页,8,飞机在空中飞行时的受力情况可简化成图3-1。,飞机既有平移运动，又有旋转运动，飞机的力和力矩平衡关系为,F,x,=0,T-X,=,ma,x,=,N,x,F,y,=0,Y,w,-Y,t,=,m,

4、(,g,+a,y,)=G+,N,y,M,z,=0,-,Y,w,C+Y,t,(,d,+,c,)=,I,z,z,式中,I,z,飞机绕,Z,轴的质量惯性矩；,z,飞机绕,Z,轴的角加速度；,其它符号见图3-1所示。,图3-1,第7页/共34页,9,飞机在空中飞行时的受力情况,飞机在有攻角飞行的运动方程为,速度坐标系下的外载荷,为迎角；,为发动机推力,F,和飞行器轴线夹角；,为航迹角,即飞行器质心处的速度矢量与水平面之间的夹角；,a,和,a,n,为飞行器质心处切向和法向加速度。,L,为升力，,G,为重力。,m,为飞机质量。,第8页/共34页,10,次要空气动力载荷,F18,飞机的尾翼引起的疲劳问题就是

5、由于机翼产生的边条涡产生 的抖振载荷,第9页/共34页,11,气流抖动载荷,机翼、尾翼也要承受空气动力抖振，这种抖振将大量的相对低振幅循环加到机动载荷中，形成载荷的波动和叠加。所以添加抖振载荷到载荷谱中，增加了载荷谱一个数量级。,动态模型,峰值水平下的攻角,峰值水平下的速压,频率,峰值加速度,弯曲模态,1,32-36,175,-,225,16,1.70g,扭转模态,2,24-28,400,-,500,45,5.00g,Stab1st,弯曲,36-39,225-300,12,1.00g,Stab2nd,弯曲和,t,扭转,16-20,350,-,400,38/46,3.50g,第10页/共34页,

6、12,2.1,典型飞行情况和机动过载,一、平直飞行情况,飞机作水平直线等速飞行时的外载荷情况为,图3-2,平直飞行时受载情况,此时,Y,=,G,T,=,X,这种情况不考虑攻角和推力角的外载荷特点是：作用在飞机上的升力等于飞机的重量，即,(,Y,/,G,=1)。,第11页/共34页,13,二、俯冲拉起情况,这是一种常用的在垂直平面内作曲线机动飞行的情况。,作用在飞机上的外载荷有：,Y,、,T,、,X,、,G,以及质量惯性力,N,y,。,设飞机的速度为,V，,航线的曲率半径为,r，,则法向（,y,向）加速度为,离心惯性力为,图3-3 俯冲拉起时的受载情况,第12页/共34页,14,飞机的动平衡方程

7、为,由此可见，曲线飞行时，,Y,是,G,的,n,y,倍。,用,n,y,表示,Y,/,G,，,则,该升力与重力之比值称为过载因数，简称,过载,。,当飞机在弧形航线的最低点，即,=0(,cos,=1),时，其过载达到最大值,图3-3 俯冲拉起时的受载情况,第13页/共34页,15,例题:,如上图所示,飞机俯冲后沿圆弧线拉起。求:(,1)当已知,v,=1000km/h,r,=,1000m,=45,30,0,时的,n,y,各为多少？(2)若限制,n,ymax,8，,在同样的拉起速度下，允许的拉起圆弧半径,r,为多大？,解：,(1)求过载,(2)求,圆弧半径,r,=45,cos,=0.707,n,y,=

8、8.577,=30,cos,=0.866,n,y,=8.736,=0,cos,=1,n,y,=8.87=,n,ymax,于是,考虑飞机机动性、强度和飞行员的承受能力的算例,第14页/共34页,16,三、过载的概念,1.过载的定义,飞机所受除重力之外的外力总和与飞机重力之比 称为,过载,(所有,表面力的合力,与,飞机重量,G,之比)，用符号,n,表示。它沿飞机主轴的三个分量为,n,x,、,n,y,、,n,z,(,图3-7)。,除重力之外的总外力的,y,向分量（即升力,Y,）,与飞机重力,G,之比，就是,y,向过载,n,y,，,它可能为正，也可能为负，这取决于该方向的外力情况。,图3-7 飞机主轴

9、方向过载,x,z,y,n,y,n,z,第15页/共34页,17,2.过载的物理意义,过载表示了飞机实际的外力与飞机重力的关系。它是用倍数的概念来表示的，是一个相对值,。他,表示飞机的受载大小和机动能力。,一般情况下，,x,和,z,方向的过载均较小，常略去不计，主要考虑,y,方向的过载。,过载又表示飞机实际的质量力和的情况。,俯冲拉起机动飞行，,y,向质量力(,G,cos,+,N,y,),是,G,的,n,y,倍。,第16页/共34页,18,用来计算实际载荷的大小。如果我们知道了飞机的过载，就能很方便地求得飞机实际载荷的大小和方向，这便于设计飞机的结构，检验其强度、刚度。,过载是飞机机动性指标之一

10、，如稳定盘旋过载是一机动性指标，因此它是飞机设计的一个重要参数。设计时如能正确选取过载的极限，则既能使飞机满足机动性要求，又能使飞机满足结构的重量要求。,过载大小要考虑飞行员的承受能力，大过载会使飞行员出现黑视。,3.过载的实际应用,第17页/共34页,19,四、进入俯冲情况,飞机在离心力作用下,视,V,与,r,的不同情况，,n,y,可以为正，也可以为负，还可以为零。,五、垂直俯冲情况,图3-4 进入俯冲情况,飞机在此情况下,Y,=0，,n,y,=0,在,x,方向可能存在过载,n,x,=(,T-X,)/,G,=(,N,x,G,)/,G,第18页/共34页,20,六、等速水平盘旋情况,这是飞机机

11、动性能的主要指标之一，此时的受载特点为,盘旋倾斜角,越大，,n,y,越大。当大坡度盘旋,=75,80 时，,n,y,=46。,盘旋时水平方向的过载为,当,=75,80,时，,n,h,=3.75.7。,第19页/共34页,21,六、等速水平盘旋情况,第20页/共34页,22,七、垂直突风（阵风）情况,垂直突风是各种突风中的最严重情况。,当飞机处于直线水平无侧滑飞行时，遭遇到一个确定形状和强度的孤立垂直阵风,u,，,由于飞行速度,V,0,远大于阵风速度，可以认为飞机仍以速度,V,0,相对空气运动，只增加机翼迎角,。升力增量,Y,为,又因,垂直突风情况,第21页/共34页,23,飞机平飞时遇突风过载

12、,n,y,为,式中,C,y,升力系数增量；,迎角增量；,Y,0,飞机原平飞升力；,u,垂直突风速度；,C,y,升力线斜率；,H,飞行高度,H,上的空气密度；,p,=,G/S,翼载荷；,K,垂直突风衰减系数。当垂直突风来得愈突然（扰动气流影响区,L,愈小），,V,0,愈大，,K,值就愈接近于 1。,在暴风雨中飞行时，,u,可达40,m/s，,将产生较大的过载。除此之外，周期性突风还将引起振动而产生疲劳，同时产生附加的振动过载。,第22页/共34页,24,八、考虑飞机转动时的过载,在距重心,x,i,处,i,点的线加速度为,在,i,点,y,方向总加速度,ai,为,飞机在空中飞行时，通常既有平移运动，

13、又有旋转运动。若飞机在对称面内作曲线运动，平尾上会产生使飞机作机动的载荷,Y,tm,，,使飞机产生绕,z,轴的角速度,z,、,角加速度,。,第23页/共34页,25,n,i,随飞机各处,x,i,的不同而不同，,x,i,有正有负，附加力矩有一定方向性，因而旋转惯性力及其附加的旋转过载也有正有负。,由上式可以方便地计算某一处局部的过载或外载。,如果,i,点处物体的重力为,G,i,，,则质量力为,G,i,cos+m,i,a,i,（见图3-8,b）。,i,点处的过载,n,i,为,第24页/共34页,26,2.2,过载的确定,一、过载的测定,过载与飞行状态密切相关，左图给出了不同飞行轨迹时的过载。,飞机

14、的机动性；敏捷性。,第25页/共34页,27,得到过载的方法,计算：根据各典型机动飞行中有关公式计算得到,实测：在飞行中测定，从而得到更准确的飞行载荷谱,如果需要测量飞机某处的过载，就将过载表装载该处；如要测全机的过载，则将过载表装在飞机重心处。,第26页/共34页,28,二、理论过载最大值,n,L,max,过载的定义：所有,表面力的合力,与,飞机重量,G,之比,根据过载定义有:,式中,H,飞行高度,H,上的空气密度；,S,机翼面积；,C,y,全机升力系数；,q,=,H,V,2,/2,动压（速压）;,p,=G/S,翼载荷，为飞机总体设计时确定的飞机主要参数之一。,Y=nG,从空气动力学知升力,

15、Y,为,由上式得,在某一瞬时,G,不变,，,n,max,对应,Y,max,，,而,Y,max,可能对应,C,ymax,及,q,max,。,例如飞机以最大动压,q,max,飞行时，突然改变迎角使升力系数达到最大值,C,ymax,，,此时,n,max,为,第27页/共34页,29,限制飞机最大使用过载值的因素,：,飞机最大过载值影响飞机的飞行战斗,性能和飞机结构的受力、设备工作条件、人员承受能力等。,在飞机设计规范中，对不同类型的飞机的最大过载值都有明确规定。过载与结构载荷密切联系，可确保,n,y,max,G=Constant,。,过载随飞行速度增大而急剧增加；,在中高空飞行时，由于空气密度降低，

16、使飞机的最大升力下降，故随飞行高度增高而减小。,三、影响最大使用过载的因素,过载,n,y max,随,Ma,数变化曲线,第28页/共34页,30,人体能够承受过载的大小是有方向性的：,在胸到背、背到胸的方向，驾驶员忍受的过载最强；,在足至头的方向，忍受的过载的能力最弱,飞机的负过载最底。（见下图）,人员的生理是最大过载的主要限制因素之一,人员所能承受的过载值,第29页/共34页,31,飞机的过载是最重要的原始参数之一，是表征飞机机动性的重要参数,。过载的大小应根据飞机的用途确定。,各国规范都根据实际情况按飞机分类规定其过载的大小。,飞机分类,n,y,(俄罗斯),n,y,(,美国),全特技类机动飞机,(歼击机、强击机、教练机等),n,ymax,6,n,y,=-38,半特技类部分机动飞机,(战术轰炸机、多用途飞机等),4,n,ymax,6,n,y,=-24,非特技类非机动飞机,(运输机、预警机等),2.5,n,ymax,4,n,y,=-13,四、最大使用过载的确定,第30页/共34页,32,总 结,表面力与质量力的概念,飞机平移运动时的平衡方程,过载的概念（包括定义、物理意义、确定和实际应