1、1第第 十十 讲讲飞机结构分析与设计 23.8 机翼结构形式确定与结构布置机翼结构形式确定与结构布置一、机翼结构设计的内容外形设计外形设计结构设计结构设计根据飞机的战术、技术要求或使用要根据飞机的战术、技术要求或使用要求、性能指标等，设计机翼的外形，求、性能指标等，设计机翼的外形，确定机翼的主要几何参数。确定机翼的主要几何参数。根据飞机总体设计阶段所提供的依据根据飞机总体设计阶段所提供的依据（其中包括外形设计），设计出能够（其中包括外形设计），设计出能够满足各项要求的具体机翼结构。满足各项要求的具体机翼结构。具体地说，机翼的结构设计是指，根据给出的具体地说，机翼的结构设计是指，根据给出的原始依
2、据原始依据，合理，合理地选择机翼的地选择机翼的受力形式受力形式，布置机翼的主要，布置机翼的主要受力构件受力构件，确定沿展，确定沿展向各剖面处纵向向各剖面处纵向元件的尺寸元件的尺寸，并对各主要受力构件进行设计。，并对各主要受力构件进行设计。3二、机翼结构设计的原始依据翼载翼载 p=Y/S 或或 G/S机翼面积机翼面积 S机翼最大过载系数机翼最大过载系数 n全全 机机 参参 数数机翼外形参数机翼外形参数机翼的位置机翼的位置机翼内部布置机翼内部布置上、中、下单翼上、中、下单翼分开分开 或或 贯穿机身贯穿机身机翼机翼-机身连接方式机身连接方式机翼整体油箱、安装起落架等机翼整体油箱、安装起落架等展弦比展
3、弦比 机翼展长机翼展长 l翼型相对厚度翼型相对厚度C后掠角后掠角 梯形比梯形比 强度刚度规范强度刚度规范及设计参数及设计参数4三、机翼结构设计的步骤机翼结构设计机翼结构设计打样设计打样设计工作设计工作设计机翼内部安排机翼内部安排、确定设计分离面确定设计分离面、选择结构型式选择结构型式、布置主要受力构布置主要受力构件件、绘制机翼理论图及打样图。绘制机翼理论图及打样图。完成机翼零、构件设计，画出从完成机翼零、构件设计，画出从零件、构件、组件到部件的全套零件、构件、组件到部件的全套生产图纸，并完成机翼强度、刚生产图纸，并完成机翼强度、刚度、寿命的全部计算。度、寿命的全部计算。外载和内外载和内力计算力
4、计算内部安排，确定结构型内部安排，确定结构型式、设计分离面、对接式、设计分离面、对接方式，布置主要受力构方式，布置主要受力构件，绘制打样图件，绘制打样图设计计算设计计算，对各元件对各元件的强度进的强度进行设计行设计绘制机绘制机翼理论翼理论图图打样打样设计设计阶段阶段5机翼结构元件设计结构强度、刚度校核计算绘制生产图纸给出疲劳寿命和检查周期工作设工作设计阶段计阶段四、机翼结构型式的选择(属打样设计阶段)机翼的结构型式机翼的结构型式在总体设计阶段就已进行了初步考虑。总体在总体设计阶段就已进行了初步考虑。总体方案确定后，各部件的结构受力型式和主要受力构件的布置也就方案确定后，各部件的结构受力型式和主
5、要受力构件的布置也就基本确定，在结构设计中只是根据协调需要作小的更改。基本确定，在结构设计中只是根据协调需要作小的更改。1 1、各种受力结构型式的特点及其材料分布、各种受力结构型式的特点及其材料分布 梁式梁式 纵向有很强的翼梁，蒙皮较薄，长桁较弱，梁纵向有很强的翼梁，蒙皮较薄，长桁较弱，梁的缘条剖面与长桁剖面相比要大得多。的缘条剖面与长桁剖面相比要大得多。结构简单，蒙皮上打开口方便，开口对结构承弯能力影结构简单，蒙皮上打开口方便，开口对结构承弯能力影响很小；连接简单，对接点少。响很小；连接简单，对接点少。机翼结构形式的确定机翼结构形式的确定机翼结构形式的确定6蒙皮未能发挥承弯作用蒙皮未能发挥承
6、弯作用，材料利用不充分材料利用不充分；蒙皮易失稳蒙皮易失稳，影响气流质量影响气流质量，增大阻力增大阻力，并易导致早期疲劳损坏并易导致早期疲劳损坏；生存性低生存性低。 单块式单块式长桁较多较强，蒙皮较厚，翼肋较密，一般长桁较多较强，蒙皮较厚，翼肋较密，一般梁缘条的剖面面积不大，有时只布置纵墙而不采用缘条面积较大梁缘条的剖面面积不大，有时只布置纵墙而不采用缘条面积较大的翼梁。的翼梁。蒙皮在气动载荷作用下变形较小，气流质量高。材料蒙皮在气动载荷作用下变形较小，气流质量高。材料向外缘分散，抗弯、抗扭强度及刚度均有所提高。安全可靠性好。向外缘分散，抗弯、抗扭强度及刚度均有所提高。安全可靠性好。结构复杂，
7、对开口敏感。与中翼或机身接合点多，连结构复杂，对开口敏感。与中翼或机身接合点多，连接复杂。接复杂。单块式机翼的结构特点单块式机翼的结构特点单块式机翼的结构特点7 多腹板式多腹板式这类机翼布置了较多的纵墙，蒙皮较厚。厚蒙这类机翼布置了较多的纵墙，蒙皮较厚。厚蒙皮单独承受全部弯矩。皮单独承受全部弯矩。抗弯材料分散在剖面上下缘，结构效率高；局部刚度及抗弯材料分散在剖面上下缘，结构效率高；局部刚度及总体刚度大；受力高度分散，破损安全特性好，生存性高。总体刚度大；受力高度分散，破损安全特性好，生存性高。不宜大开口；与机身连接点多。不宜大开口；与机身连接点多。多腹板式机翼的结构特点多腹板式机翼的结构特点多
8、腹板式机翼的结构特点梁式、单块式、多腹板式三种机翼受力型式的主要区别在于梁式、单块式、多腹板式三种机翼受力型式的主要区别在于承受弯矩引起的正应力元件面积的分散度不同，因而当元件总面承受弯矩引起的正应力元件面积的分散度不同，因而当元件总面积相同时，通常是后者的形心距较高，结构效率可能较高，重量积相同时，通常是后者的形心距较高，结构效率可能较高，重量可能较轻。可能较轻。但对于具体情况有待进一步分析。但对于具体情况有待进一步分析。8q 梁式机翼蒙皮薄，在翼盒闭室面积相同情况下，扭转刚梁式机翼蒙皮薄，在翼盒闭室面积相同情况下，扭转刚度小，一般翼面相对厚度较大的低速飞机较多采用。度小，一般翼面相对厚度较
9、大的低速飞机较多采用。q 单块式机翼蒙皮较厚，扭转刚度也较好，对提高颤振临单块式机翼蒙皮较厚，扭转刚度也较好，对提高颤振临界速度很有利，一般被小、中、大展弦比，速度较高的界速度很有利，一般被小、中、大展弦比，速度较高的飞机采用。飞机采用。q 多墙式机翼蒙皮很厚，并以多个腹板形成的翼盒多闭室多墙式机翼蒙皮很厚，并以多个腹板形成的翼盒多闭室受扭，提高了扭转刚度，刚度最好，一般中、小展弦比，受扭，提高了扭转刚度，刚度最好，一般中、小展弦比，相对厚度小的高速飞机采用。相对厚度小的高速飞机采用。 2 2、翼型厚度和扭转刚度翼型厚度和扭转刚度9（1 1）机翼的）机翼的相对载荷相对载荷 M/HaBB 受力翼
10、盒的弦长（近似取为受力翼盒的弦长（近似取为60%60%的弦长）的弦长）Ha 翼盒的平均高度（近似取为翼盒的平均高度（近似取为80%翼型最大高度）翼型最大高度） 代表壁板以宽柱代表壁板以宽柱型式受力时，单位宽型式受力时，单位宽度壁板上所受的轴向度壁板上所受的轴向力。力。3 3、相对载荷、有效高度比相对载荷、有效高度比10假设略去后掠角和梯形比的影响，估算时近似地把后掠机翼假设略去后掠角和梯形比的影响，估算时近似地把后掠机翼简化为平直矩形机翼，同时略去机身段的影响，后掠、平直机翼简化为平直矩形机翼，同时略去机身段的影响，后掠、平直机翼相对载荷估算公式为相对载荷估算公式为 （主要从受压区的情况进行分
11、析主要从受压区的情况进行分析）相对载荷相对载荷为为ClSGn.ClblSGn.b.bC.lSSnGBH/Ma 2602606080181 可见可见 G/S、l、n 等参数愈大等参数愈大，C 愈小愈小，则则相对载荷相对载荷愈大。愈大。机翼对称面上的最大弯矩为机翼对称面上的最大弯矩为lSSnGlSnSGM8142111HHHee He 有效高度，上、下缘条的形心间距。有效高度，上、下缘条的形心间距。（2 2）有效高度比）有效高度比 讨讨 论论 a)采用分散受力型式，根据采用分散受力型式，根据 b决定的蒙皮与桁条的面积可决定的蒙皮与桁条的面积可能很小，而其失稳临界应力能很小，而其失稳临界应力 cr
12、就可能大大低于就可能大大低于 b 。因因此，如果按此，如果按 cr确定构件尺寸，确定构件尺寸， 从从 b来看，材料利用就来看，材料利用就不充分。不充分。12 讨讨讨 论论论b)b) 如果采用梁式，由于受正应力的面积集中在梁缘条，如果采用梁式，由于受正应力的面积集中在梁缘条，其截面积就较大，不易失稳。虽然缘条形心离蒙皮其截面积就较大，不易失稳。虽然缘条形心离蒙皮内表面的距离较大，而使内表面的距离较大，而使H He e 有所降低，但总的说来有所降低，但总的说来可能还是有利的。可能还是有利的。 特别当特别当C C 较大时，较大时， H He e 也没有明显降低。也没有明显降低。 & 采用分散受力型式
13、，其长桁、蒙皮在各切面处的面积采用分散受力型式，其长桁、蒙皮在各切面处的面积不致太小，不易失稳，也即不致太小，不易失稳，也即 cr 不致很小。不致很小。分散受力型式，上、下纵向元件的形心间距大，结构效率分散受力型式，上、下纵向元件的形心间距大，结构效率高些，总的来说是有利的。高些，总的来说是有利的。13& 多腹板式相对于单块式结构，因材料的分散度更大，多腹板式相对于单块式结构，因材料的分散度更大，有效高度比更大，因而更有利。有效高度比更大，因而更有利。总结总结总结 仅就仅就相对载荷相对载荷和和有效高度比有效高度比这两个参数来分析（对于这两个参数来分析（对于梯形比在梯形比在1-4之间的平直机翼和
14、后掠机翼），一般说来之间的平直机翼和后掠机翼），一般说来 当当 M/HaB 较大、相对厚度较大、相对厚度c较小时，宜采用多腹板式较小时，宜采用多腹板式结构；结构； 当当 M/HaB 较大、相对厚度较大、相对厚度c较大时，宜采用单块式结较大时，宜采用单块式结构；构； 当当 M/HaB 较小、相对厚度较小、相对厚度c较大时，宜采用梁式结构。较大时，宜采用梁式结构。14机机 种种F-86D米格米格-15F-104波音波音-707L-29幻影幻影-平面形状平面形状后掠后掠后掠后掠平直平直后掠后掠平直平直三角形三角形相对厚度相对厚度11.5%10.4%3.36%12%17%4%相对载荷相对载荷 ( 10
15、5)4.703.625.8519.32.120.82有效高度比有效高度比( %)9190.5结构型式结构型式单块式单块式 单块式单块式多腹板多腹板式式单块式单块式单梁单梁式式多梁式多梁式15按强度要求选择机翼结构布局，主要是采用按强度要求选择机翼结构布局，主要是采用“满应力满应力”的方的方法，即结构的工作应力法，即结构的工作应力e力求与结构的许用应力力求与结构的许用应力相等相等1e许用应力许用应力的确定的确定外载荷外载荷4 4、提高受压破坏平均应力提高受压破坏平均应力结构模型结构模型有限元分析有限元分析满应力准则满应力准则1e受拉面受拉面结构疲劳结构疲劳断裂设计断裂设计结构稳定结构稳定性设计性
16、设计受压面受压面16在结构形式选择和主要受力构件布置时，可先按稳定性要求初在结构形式选择和主要受力构件布置时，可先按稳定性要求初步确定最小质量布局，然后用疲劳、损伤容限分析检查受拉翼面等步确定最小质量布局，然后用疲劳、损伤容限分析检查受拉翼面等等，进一步修改整个一面结构。等，进一步修改整个一面结构。影响翼面结构质量最主要的载荷为翼面的最大弯矩。将受力翼影响翼面结构质量最主要的载荷为翼面的最大弯矩。将受力翼盒上的弯矩与翼面结构特性组合起来，定义盒上的弯矩与翼面结构特性组合起来，定义翼面载荷指数翼面载荷指数p p为为4 4、提高受压破坏平均应力提高受压破坏平均应力其中其中BHkMpah ahHhk
17、 h翼盒上下剖面形心间的高度翼盒上下剖面形心间的高度17每种结构都有其最佳适用范围。按稳定性设计各种结构最小重每种结构都有其最佳适用范围。按稳定性设计各种结构最小重量适用范围有量适用范围有4 4、提高受压破坏平均应力提高受压破坏平均应力结构形式结构形式载荷指数载荷指数p翼面相对厚度翼面相对厚度c夹层板结构夹层板结构10加筋板结构加筋板结构110410多墙结构多墙结构10106梁式结构梁式结构1105105 5、翼身相对位置及机身空间翼身相对位置及机身空间6 6、空间及开口总体布局空间及开口总体布局7 7、变后掠翼的布局特点、变后掠翼的布局特点18五、机翼主要受力构件布置五、机翼主要受力构件布置
18、是指具体确定机翼主要受力构件是指具体确定机翼主要受力构件的布置方式、数量和位置。的布置方式、数量和位置。主要受力构件有：主要受力构件有：梁、墙、加强肋、普通肋、桁条等。梁、墙、加强肋、普通肋、桁条等。1、主要受力构件布置的原则主要受力构件布置的原则1) 确保气动载荷引起的弯、剪、扭能顺利可靠地传向机身。确保气动载荷引起的弯、剪、扭能顺利可靠地传向机身。2) 受力构件布置要力求简练，一般来说，传力越直接越好，受力构件布置要力求简练，一般来说，传力越直接越好，结构重量越轻。结构重量越轻。3) 布置加强构件应尽量做到综合利用，以减轻重量。布置加强构件应尽量做到综合利用，以减轻重量。4) 布置受力构件
19、时要有全局关。布置受力构件时要有全局关。191 1 1、主要受力构件布置的原则主要受力构件布置的原则主要受力构件布置的原则主要受力构件布置的原则主要受力构件布置的原则主要受力构件布置的原则5)损伤容限设计。损伤容限设计。6)改善结构工艺性和使用维护性。改善结构工艺性和使用维护性。7)注意结构的现实性和先进性，适当采用新结构、新材料注意结构的现实性和先进性，适当采用新结构、新材料和新工艺。和新工艺。2、主要受力构件的布置主要受力构件的布置1) 梁与墙的布置梁与墙的布置q 数量：数量：一般现代运输机上，机翼至少有两根梁。一般现代运输机上，机翼至少有两根梁。 一是因为要形成承扭闭室，二是因为可作整体
20、油箱一是因为要形成承扭闭室，二是因为可作整体油箱 壁板。壁板。q 位置与布置方式：一般一般前梁前梁位于能与机翼前缘缝翼、前缘位于能与机翼前缘缝翼、前缘襟翼（如有的话）相连的位置；襟翼（如有的话）相连的位置；后梁后梁在能与操纵面相连的在能与操纵面相连的位置。位置。20 从受力合理看从受力合理看：( (1)1)梁最好能纵贯全翼展，且轴线尽量不折转；梁最好能纵贯全翼展，且轴线尽量不折转；(2)(2)尽可能布置在结构高度较大的部位；尽可能布置在结构高度较大的部位；(3)(3)沿展向最好按弦长等百分比线布置。沿展向最好按弦长等百分比线布置。翼肋的布置翼肋的布置翼肋的布置2) 翼肋的布置翼肋的布置q 数量
21、数量：翼肋间距可按蒙皮格子的临界应力的大小确定翼肋间距可按蒙皮格子的临界应力的大小确定，也也可按桁条总体和局部失稳临界应力相等的要求确定。可按桁条总体和局部失稳临界应力相等的要求确定。最佳肋间距小型飞机中型飞机重型飞机500mm左右300mm600mm800mm 统计结果显示，机翼的肋间距有以下规律21加强翼肋应根据结构安排和连接点集中力大小来布置。加强翼肋应根据结构安排和连接点集中力大小来布置。翼肋的布置翼肋的布置翼肋的布置q 位置与布局方式：位置与布局方式： 普通翼肋普通翼肋 顺流布置顺流布置 翼肋翼肋 翼肋的布置翼肋的布置 加强翼肋加强翼肋 正交布置正交布置EF200022顺流布置顺流布
22、置的的优点优点维持机翼剖面形状较好；相同翼肋间距维持机翼剖面形状较好；相同翼肋间距下，数量要少等等。下，数量要少等等。顺流布置顺流布置的的缺点缺点翼肋长度增加；缘条扭曲；蒙皮受剪稳翼肋长度增加；缘条扭曲；蒙皮受剪稳翼肋的布置翼肋的布置翼肋的布置 定性差；结构质量重；与梁、定性差；结构质量重；与梁、桁条连接工艺复杂等等。桁条连接工艺复杂等等。顺流布置顺流布置的的应用应用一般用于一般用于平直翼、三角翼，以及机平直翼、三角翼，以及机翼蒙皮较厚，翼肋对蒙皮翼蒙皮较厚，翼肋对蒙皮支持作用较小，或机翼局支持作用较小，或机翼局部区域。部区域。233) 桁条的布置桁条的布置q 数量：数量：桁条的间距根据蒙皮失
23、桁条的间距根据蒙皮失稳临界应力来定确定。稳临界应力来定确定。正交布置正交布置的的优点、缺点优点、缺点与顺流肋与顺流肋恰好相反。恰好相反。 在现代后掠机翼上，正交布置在现代后掠机翼上，正交布置采用得较多采用得较多。桁条的布置桁条的布置桁条的布置小型飞机中型飞机大型飞机蒙皮面积/桁条面积60-100mm100-140mm140-200mm(11:9)(7:3)统计结果表统计结果表明明,桁条间距桁条间距24q 位置与布局方式：位置与布局方式： 按百分比线布置按百分比线布置(聚交式聚交式) 长桁布置长桁布置 平行于前梁或后梁布置平行于前梁或后梁布置按百分比线布置的特点按百分比线布置的特点桁条无扭曲，桁条截面面积变化或桁条无扭曲，桁条截面面积变化或桁条的布置桁条的布置桁条的布置 截断等。截断等。平行布置的特点平行布置的特点扭曲，扭曲，逐渐切断等。逐渐切断等。4) 翼身连接形式的确定翼身连接形式的确定5) 集中载荷作用处加强集中载荷作用处加强构件的布置构件的布置不 讲25总 结S 机翼结构设计的原始依据S 机翼结构设计的步骤S 机翼结构型式的确定S 机翼主要受力构件的布置原则、数量和布置方式26Boeing 747和和A-300的梁、肋布置的梁、肋布置
