1、飞行器结构分析与设计飞行器结构分析与设计第十讲第十讲崔德刚、程小全、何经武崔德刚、程小全、何经武20092009年年2 2月月讲课材料讲课材料 3.8 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
2、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。二、机翼结构设计的原始依据二、机翼结构设计的原始依据翼载翼载 p=Y/S p=Y/S 或或 G/SG/S机翼面积机翼面积 S S机翼最大过载系数机翼最大过载系数 n 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
3、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弦比 机翼展长机翼展长 l l翼型相对厚度翼型相对厚度C 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接上接上页页机翼的外挂机翼的外挂外挂的要求、外挂的设计外挂的要求、外挂的设计要求要求气动弹性要求气动弹性要求静弹性要求：副翼效率、防静弹性要求：副翼效率、防止发散；颤振要求止发散；颤振要求机翼使用维护要求机翼使用维护要求结构材料原则结构材料原则机翼结构设计机翼结构设计初步初步设计设计详细设计详细设计内部系统的协调，设计主要受力构件、内部系统的协
4、调，设计主要受力构件、绘制机翼协调图、初步计算及打样图。绘制机翼协调图、初步计算及打样图。完成机翼零、构件设计生产图纸，完完成机翼零、构件设计生产图纸，完成机翼强度、气弹、质量的全部计算。成机翼强度、气弹、质量的全部计算。三、机翼结构设计的步骤三、机翼结构设计的步骤方案设计方案设计确定设计分离面、选择结构型式、布确定设计分离面、选择结构型式、布置主要受力构件、绘制机翼理论图。置主要受力构件、绘制机翼理论图。机翼装载机翼装载及系统与及系统与结构协调结构协调绘制生绘制生产图纸产图纸结构强结构强度、气度、气弹计算弹计算寿命、可寿命、可靠性维护靠性维护性分析性分析详细设详细设计阶段计阶段结构打结构打样
5、设计样设计重量、重量、惯性矩惯性矩计算计算打样打样设计设计阶段阶段确定机翼分离面、确定机翼分离面、选择结构型式、布选择结构型式、布置主要受力结构置主要受力结构进行主要结进行主要结构受力分析构受力分析绘制机翼绘制机翼理论图理论图机翼载荷机翼载荷机翼外形机翼外形总体要求总体要求机翼结构设计的具体步骤机翼结构设计的具体步骤方案方案设计设计阶段阶段四、机翼结构型式的选择机翼的结构型式机翼的结构型式在方案设计阶段进行考虑。他对合理结构设在方案设计阶段进行考虑。他对合理结构设计起到关键作用。各种结构形式都有其适用范围，关键能否合理计起到关键作用。各种结构形式都有其适用范围，关键能否合理选择结构形式，能否合
6、理选择结构参数。选择结构形式，能否合理选择结构参数。目前结构形式选择首先目前结构形式选择首先考虑静强度和气动弹性要求。考虑静强度和气动弹性要求。静强度通常是满应力法。静强度通常是满应力法。稳定性决定稳定性决定了结构许用了结构许用应力应力结构有限元分析结构有限元分析静强度设计准则静强度设计准则 1结构稳定性设计结构稳定性设计疲劳疲劳/损伤容限设计损伤容限设计受拉许用应力受拉许用应力受压许用应力受压许用应力四、机翼结构型式的选择机翼的结构型式机翼的结构型式在方案设计阶段进行考虑。他对合理结构设在方案设计阶段进行考虑。他对合理结构设计起到关键作用。计起到关键作用。1 1、各种受力结构型式的特点及其材
7、料分布、各种受力结构型式的特点及其材料分布n梁式梁式 纵向有很强的翼梁，蒙皮较薄稳定性差，长桁纵向有很强的翼梁，蒙皮较薄稳定性差，长桁较弱，梁承受主要弯矩和剪力，蒙皮承受扭矩。较弱，梁承受主要弯矩和剪力，蒙皮承受扭矩。梁可以利用结构最大高度，蒙皮开口对结构承弯能力影梁可以利用结构最大高度，蒙皮开口对结构承弯能力影响很小；与机身连接简单。响很小；与机身连接简单。蒙皮不参与承弯，材料利用不充分；蒙皮易失稳，影响蒙皮不参与承弯，材料利用不充分；蒙皮易失稳，影响气流质量；生存性低。气流质量；生存性低。n单块式单块式机翼的弯矩和扭矩主要由长桁和较厚蒙皮组机翼的弯矩和扭矩主要由长桁和较厚蒙皮组成的加筋板承
8、受，翼肋较密，壁板稳定性承载能力较好。梁缘条成的加筋板承受，翼肋较密，壁板稳定性承载能力较好。梁缘条的剖面面积不大，有时只布置纵墙，主要传递剪力和扭矩。的剖面面积不大，有时只布置纵墙，主要传递剪力和扭矩。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。材料向外缘分布，抗弯、抗扭强度及刚度均有所提高。安全可靠性好。向外缘分布，抗弯、抗扭强度及刚度均有所提高。安全可靠性好。结构复杂，翼面不宜大开口。与中翼或机身接合点多，结构复杂，翼面不宜大开口。与中翼或机身接合点多，连接复杂。连接复杂。n多腹板式多腹板式布置了较多的纵墙支持蒙皮，没有或很少翼肋。布置了较多的
9、纵墙支持蒙皮，没有或很少翼肋。厚蒙皮稳定性承载能力高，承受大部分弯矩和扭矩。厚蒙皮稳定性承载能力高，承受大部分弯矩和扭矩。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；损伤容限特性好，生存性高。总体刚度大；损伤容限特性好，生存性高。不宜大开口；与机身连接点多，不适用于厚机翼。不宜大开口；与机身连接点多，不适用于厚机翼。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的主要构件的不同。因而当元件总面积相同时，通常是承受弯矩的主要构件的不同。因而当元件总面积相同时，通常是后
10、者的形心距较高，结构效率可能较高，重量可能较轻。但对于后者的形心距较高，结构效率可能较高，重量可能较轻。但对于具体情况有待进一步分析。具体情况有待进一步分析。n 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大的低速飞机较多采用。n 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。n 多墙式机翼蒙皮很厚，并以多个腹
11、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 在第五讲中按稳定性要求进行机翼结构形式选择：在第五讲中按稳定性要求进行机翼结构形式选择：结构载荷参数结构载荷参数P P(MPa)(MPa)来描述，来描述，P P为作用在受力翼盒上的弯曲外载为作用在受力翼盒上的弯曲外载荷与结构特征组合。荷与结构特征组合。结构实心度结构实心度为翼盒结构的体积和非受力连接件的体积占整个翼为翼盒结构的体积和
12、非受力连接件的体积占整个翼盒空间的比值。他表明结构质量密度。是无因次参数。盒空间的比值。他表明结构质量密度。是无因次参数。Fst Whwkbh2hNMPhWk h1s tLWhLW 12翼面结构效翼面结构效率曲线率曲线结构实心度结构实心度（无量纲）（无量纲）N/h结构载荷结构载荷参数（参数（N/mm）按稳定性设计各种结构最小重量使用范围按稳定性设计各种结构最小重量使用范围 结构形式结构形式 载荷指数载荷指数MPa 翼面相对厚度翼面相对厚度 夹层板结构夹层板结构 10 加筋板结构加筋板结构 110 410 多墙结构多墙结构 10 10 6 梁式结构梁式结构 110 510 机翼部件的作用和力学特
13、性机翼部件的作用和力学特性飞机类型飞机类型机翼结构形式机翼结构形式载荷指载荷指数数MPa梁式梁式单块式单块式多墙式多墙式夹层结构夹层结构歼击机歼击机 10通用飞机通用飞机110侦查机侦查机5客机客机110运输机运输机110轰炸机轰炸机教练机教练机110（1 1）机翼的）机翼的相对载荷相对载荷 M/HM/Ha aB BB B 受力翼盒的弦长（近似取为受力翼盒的弦长（近似取为60%60%的弦长）的弦长）H Ha a 翼盒的平均高度（近似取为翼盒的平均高度（近似取为80%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
14、轴向力。力。3 3、相对载荷、有效高度比、相对载荷、有效高度比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，机翼相对载荷估算公式为：身段的影响，机翼相对载荷估算公式为：相对载荷为相对载荷为ClSGn.ClblSGn.b.bC.lSSnGBH/Ma 2602606080181 可见可见 G/SG/S、l l、n n 等参数愈大等参数愈大，C 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lnGlSnSGM8421HHHee He 有效高度，上、下缘条的形心间距。有效高度，上、下缘
15、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 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。b)b)如果采用梁式，由于受正应力的面积集中在梁缘条，其如果采用梁式，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内表面截面积就较大，不易失稳。虽然缘条形心离蒙皮内表面的距离较大，而使的距离较大，而使H
16、He e 有所降低，但总的说来可能还是有有所降低，但总的说来可能还是有利的。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，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。分散受力型式，不致很小。分散受力型式，上、下纵向元件的形心间距大，结构效率高些，总的来说上、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。是有利的。多腹板式相对于单块式结构，腹板通过下蒙皮对蒙皮的多腹板式相对于单块式结构，腹板通过下蒙皮对蒙皮的支持远强于加筋条，蒙皮
17、的屈曲应力大大优于加筋条，另外支持远强于加筋条，蒙皮的屈曲应力大大优于加筋条，另外材料的分散度更大，有效高度比更大，对薄机翼结构更有利。材料的分散度更大，有效高度比更大，对薄机翼结构更有利。该结构不适用在厚机翼结构。主要是厚机翼腹板高，其该结构不适用在厚机翼结构。主要是厚机翼腹板高，其重量比加筋条和翼肋重，效率不如单块式高。重量比加筋条和翼肋重，效率不如单块式高。五、机翼主要受力构件布置五、机翼主要受力构件布置是指具体确定机翼主要受力构件的布置是指具体确定机翼主要受力构件的布置方式、数量和位置。方式、数量和位置。主要受力构件有：主要受力构件有：蒙皮蒙皮、梁、墙、加强肋、普通肋、桁条等。梁、墙、
18、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，传力越直接越好，结构重量越轻。受力构件布置要力求简练，传力越直接越好，结构重量越轻。3)布置受力构件时要有全局观。加强构件应尽量综合利用。布置受力构件时要有全局观。加强构件应尽量综合利用。4)4)损伤容限设计，考虑多通路传力结构布局。损伤容限设计，考虑多通路传力结构布局。6)6)改善结构工艺性和使用维护性，注意工艺分离面和维护通路设计。改善结构工艺性和使用维护性，注意工艺分离面和维护通路设计。
19、7)7)适当采用新结构、新材料和新工艺。通常不宜超过适当采用新结构、新材料和新工艺。通常不宜超过1515。2 2、主要受力构件的布置、主要受力构件的布置1)1)梁与墙的布置梁与墙的布置n数量：一般现代运输机上，机翼至少有两根梁。数量：一般现代运输机上，机翼至少有两根梁。整体油箱一是因为要形成承扭闭室，二是因为可作壁板。整体油箱一是因为要形成承扭闭室，二是因为可作壁板。n位置与布置方式位置与布置方式：一般一般前梁前梁位于支持机翼前缘缝翼、前缘襟翼位于支持机翼前缘缝翼、前缘襟翼相连的位置；相连的位置；后梁后梁在能支持襟副翼操纵的位置。在能支持襟副翼操纵的位置。从受力合理看：从受力合理看：(1)1)
20、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。2)翼肋的布置翼肋的布置n 数量数量：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。飞机类型小型飞机中型飞机重型飞机最佳肋间距250300mm500600mm600800mm 统计结果显示，机翼的肋间距有以下规律加强翼肋应根据结构安排和连接
21、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。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EF2000顺流布置的优点顺流布置的优点顺流布置的缺点顺流布置的缺点n 维持机翼剖面形状较好；维持机翼剖面形状较好；n 相同翼肋间距下，数量要少等相同翼肋间距下，数量要少等等。等。n 翼肋长度增加；翼肋长度增加；n 缘条扭曲；缘条扭曲；n 蒙皮受剪稳定性差；蒙皮受剪稳定性差；n 结构质量重；结构质量重；n 与梁、桁条连接工艺复杂等。与梁、桁条连接工艺复杂等。顺流布置的应用顺流布置的应用一般用于平
22、直翼、三角翼，以及机一般用于平直翼、三角翼，以及机翼蒙皮较厚，翼肋对蒙皮支持作用翼蒙皮较厚，翼肋对蒙皮支持作用较小，或机翼的局部区域。较小，或机翼的局部区域。F15F15机翼机翼3)桁条的布置桁条的布置q数量：桁条的间距根据蒙皮失稳临界数量：桁条的间距根据蒙皮失稳临界应力来定确定。应力来定确定。正交布置正交布置的的优点、缺点优点、缺点与顺流肋恰好相与顺流肋恰好相反。在现代后掠机翼上，正交布置采反。在现代后掠机翼上，正交布置采用得较多用得较多。小型飞机中型飞机大型飞机蒙皮面积/桁条面积60-150mm100-200mm140-250mm(11:9)(7:3)统计结果表统计结果表明明,桁条间距桁条
23、间距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)长桁布置按照承弯承扭特点布置长桁布置按照承弯承扭特点布置 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截断等截断等。桁条的布置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 讲按承载要求按承载要求总 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、数量和布置方式第十讲结束第十讲结束谢 谢Boeing 747和和A-300的梁、肋布置的梁、肋布置
