南京航空航天大学：飞机结构设计（一）：第2章 飞机的外载荷

第2章 飞机的外载荷 南京航空航天大学 飞机设计技术研究所 ? ? ? ? ? 2.1 飞机结构上的主要载荷 2.2 不同飞行条件下的过载 2.3 其它载荷情况 2.4 疲劳载荷 2.5 飞机设计规范简介 2.1 飞机结构上的主要载荷 ?飞机在飞行、起飞、着陆、地面维护等使 用过程中，作用在飞机上的外力称为飞机 的外载荷 ? (1)飞行时的外载荷。 ? (2)起飞、着陆时的外载荷。 机体坐标系 速度坐标系 载荷分类 1.质量力R f —与飞机的质量和加速度有关的 力，如：重力G；惯性力N x 等 2.表面力R m —由物体之间直接接触作用而产 生的作用在飞机表面上的力，如：气动力Y、 Y t ；发动机推力T；地面支反力等 2.1.1 过载的概念 定义：飞机所受除重力之外的表面力总和与 飞机重量之比称为过载系数n，简称 过载。 GRn f /= knjninn zyx ++= 222 zyx nnnn ++= ?过载系数可正，可负；与坐标轴方向一致 为正，反之为负 ?习惯上将过载系数称为过载；平时所说的 过载是指n y ，∵一般地n x 和n z 均很小，且x方 向的强度、刚度一般较好 R V gG PY n dt dV gG XP n R RVamaGPY dtdVamaGXP y x nn 2 2 1 cos )sin( 1 sin )cos( /;cos)sin( /;sin)cos( += ++ = += ?+ =∴ =+=++ =+=?+ θ ?α θ ?α θ?α θ?α ττ 半径为飞机运动轨迹的曲率 平衡方程Q 2.1.2 过载与加速度的关系 g a n g a n g a m G m R n n y x f += += == θ θ τ cos sin ?过载的物理意义： 1.过载系数表示了作用于飞机重心处(坐标 原点)飞机所受的实际外力与飞机重力的关 系。 2.飞机的过载来源于加速度。如果飞行 加速度为0，则=1。 y n y n ?就Y方向而言，过载系数又表示了飞机实 际的质量力情况： 　n y =质量力/G ?质量力与飞机所受的外力大小相等，但方 向相反（它们是平衡力系）； ?因此，如以质量力来决定过载的方向，就 应该是与飞机坐标轴正方向相反为正，反 之为负。 ?过载系数的实用意义 知道了过载系数n y →P=n y ﹒ G（CG处）→ 各点P sj ，P sj =n y ﹒ G j z它是飞机设计中很重要的一个原始参数， 与飞行状态机动性密切相关 z n y 可由过载表测量获得 2.2 不同飞行条件下的过载 ? ? ? ? ? ? ? 2.2.1 水平面内的定常直线飞行 2.2.2 垂直平面内的曲线飞行 2.2.3 水平面内的曲线飞行(正常布局) 2.2.4 最大过载n y max 2.2.5 非质心处质量的过载 2.2.6 突风过载 2.2.7 着陆过载 2.2.1 水平面内的匀速直线飞行 图2.2 匀速水平飞行 ∑ F x =0 T=X ∑ F y =0 Y=G 0= ? = G XT n x 1== G Y n y 等速平直倒飞：n y = -1 2.2.2 垂直平面内的曲线飞行 gR V n R V g n dt dV g n y y x 2 max 2 10 1 cos 1 sin +=?= += +=∴ θ θ θ ?进入俯冲 ∑ F x =0: ∑ F y =0: x NGXT =+? θsin 0cos =?+ θGNY y R V g G amN yy 2 ?=?=Q gR V R V gG Y n y 22 coscos 1 ?=+??==∴ θθ θθ sin 1 sin ? ? ? ?=?= ? = t V gG N G XT n x x ? 俯冲后拉起 ∑ F y =0 θθ coscos 2 GG gR V GNY y +=?+= gR V n y 2 cos += θ gR V n 2 max 1 += 当θ=0时,n y →max, 2.2.3 水平面内的曲线飞行(正常布局) z如知道γ ∑ F n =0 ∑ F v =0 如果用过载仪测出n y ，也就知道γ， R V g G NY 2 sin ?==γ GY =γcos γcos 1 == G Y n y y n 1 cos =γ z如知道V和R： 2 1 2 22 1 ? ? ? ? ? ? +?=+= gR V GNGY 2 1 2 1 ? ? ? ? ? ? += gR V n y 2.2.4 最大过载n ymax 式中：p=G/S ),,,( / 1 2 maxmax 2 max max max max pVHcf SG V c G Y n y H yy = == ρ C ymax 1.2 0.4 M H V max V 最大过载n max 的选取与飞机性能、设备 性能和人的生理机能等均有关 n max 愈大，机动性愈好；但n max 增大使 结构受力增大，结构重量也增加，反过来又 影响整个飞机的性能 n max ↑，各种设备的惯性力↑，而很多 设备对惯性力的承受也有限度，∴n max ↑对 设备的要求也相应提高 人对n max 的承受能力也有限 图2.4 飞行员承受过载的能力与过载方向和时间的关系 图2.5 抗过载服系统 1-发动机引来的压缩空气； 2-气滤；3-调压器； 4-通信号灯；胶囊 图2.6高过载座舱内的座椅 1-可倾斜座椅； 2-后撑弹簧筒 z综合考虑这些因素，飞机设计中一般选取： 9一类飞机：如歼击机、强击机，n y =- 3~8 9二类飞机：可部分完成机动飞行：如战 术轰炸机、多用途飞机，n y =-2~4 9三类飞机：不作机动飞行的飞机：如战 略轰炸机、运输机，n y =-1~3 2.2.5 非质心处质量的过载 xngannnn xngannnn zxxxxxx zyyyyyy 2 000 000 / / ? ? ±=?±=?±= ±=?±=?±= 图 2.7与飞机质心不重合的各点上的过载 注意：较长的装载物（发动机、油箱、鱼 雷、导弹等） ω z 引起一个附加的惯性力矩： zGzGz ii IM ω 00 =? 例：已知：飞机俯冲攻击并沿圆弧线拉起， 已知V=1000km/h，R=1000m 求：θ=45°，0°时n y 各为多少？如限制 n y ≤8，则R应为多大？ gR V n y 2 cos += θ 573.8 100081.9 6.3 1000 707.045cos 2 2 = × ? ? ? ? ? ? +=+= gR V n y o 865.81 2 =+= gR V n y 81 2 ≤+ gR V m g V R 64.1123 7 2 =≥∴ 当： θ =45° θ=0： 如限制 n y ≤ 8，则 例：飞机以过载n y =-3作曲线飞行，同时使 飞机重心以角加速度α z =3.92rad/s 2 转动，转 动方向如图所示。若发动机重量G E =1000kg， 其重心到全机重心距离L=3m，发动机绕本 身重心的质量惯性矩I zo =120kg·s 2 ·m，求： 1.发动机重心处过载系数n yE 2.若发动机悬挂在两个接头上，主接头位于 发动机重心处，后接头距发动机重心为0.8m， 求此时发动机作用于机身结构接头上的质量 载荷。 解： n yE =n y +αL/g=-3+(-3.92)*(-3)/9.8 =-3+3.92*3/9.8=-1.8 前接头：F 前 =n yE G E =-1.8*1000 =-1800kg （向下） 后接头：F 后 =M/0.8=I Z0 α Z /0.8 =120*3.92/0.8=627.2kg （向上） 2.2.6 突风过载 ?水平突风W<<V(<0.15)，引起的水平方向 过载可以忽略不计(不大于1.3~1.5)； ?垂直突风引起攻角变化； SG VVWc n G SVac nnnn a y y a y yyyyg /2 )/( 2/ 2 0 2 00 ρ ρ ±= ? ±=?±= 图2.8 垂直突风速度为 W时飞机飞行攻角的改变 突风还可能引起振动，特别是在重型飞 机上引起周期性的载荷（甚至共振）。 ?突风作用时间 h 考虑突风作用时间，引入突风衰减因子K， K<1： K SG WVc nn a y yyg /2 0 ρ ±= 2.2.7 着陆过载 ∑F y =0 对起落架的过载定义：P ld /P st yLd NGPY +=+ g a G N G PY n yy Ld y +=+= + = 11 G YNG P P n ldy st Ld Lg ?+ == 一般情况下，起落架着陆时的最大过 载n y 可达3～4。飞机在地面的运动情况是 多种多样的，因而，不但有n y ，也还会出 现n x (如前方撞击、刹车)以及n z (如侧滑着 陆等)。 2.3 其它载荷情况 ? 2.3.1热载荷 ? 2.3.2 噪音 (声振 )载荷 ? 2.3.3 瞬时响应载荷 ? 2.3.4 特殊情况的载荷 2.3.1热载荷 １）动力装置；２）气动加热　　　　 飞机表面的驻点温度： T = T H (1+0.2M 2 ) T(K) M H(km) 0 11 1 200 600 ３）太阳的直接辐射和反射辐射 1.高温使结构材料的强度和刚度降低 不同结构材料在不同的高度飞行时， 考虑温度影响，长时间飞行的极限速度不 同 　　LY12 < 钛合金　＜　不锈钢 2. 温度不均匀 温度应力－> 构件失稳、疲劳 材料性能变坏 ３.受热材料处于长期受力状态，还将发生 蠕变，产生永久变形 ４.热疲劳问题 高度 /(km) t( o C) 0 15 30 45 60 LY-12 不锈钢 760 钛合金 370 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 M 2.3.2 噪音(声振)载荷 来源：动力装置 空气动力 武器发射 问题：声疲劳 图 2.10 某发动机喷口附近的声压情况 2.3.3瞬时响应载荷 来源：核武器爆炸、空中机轮制动、起飞助 推、外挂物投放、弹射等 2.3.4 特殊情况的载荷 ?非正常状态的载荷：发动机停机、尾旋、 单轮着陆、打地转、机头碰地、飞机翻倒、 因故障强迫着陆等； ?要求继续飞行并返回，在地面尽量减少 对人员的伤害，尽量减少对飞机通道出 口的阻塞； ?鸟撞载荷：2000m以下以最大飞行速度飞 行时，1.8kg的鸟不穿透； ?冰雹载荷：结冰破坏气动外形，影响性能； 对结构和发动机产生破坏。 2.4 疲劳载荷 ?疲劳破坏在远小于材料的原有静强度情况 下就可能发生，因而更具有危险性。 ?疲劳载荷还将引起设备工作不正常，并导 致破坏，使机上人员感到难受 ?载荷的作用顺序对材料的损伤有影响 ?因此，在疲劳强度分析中需确定结构中所 承受的载荷随时间变化的历程—载荷谱 （spectrum） 疲劳载荷来源 ?突风重复载荷（gust） 9突风W产生一个攻角增量Δα→Δn y 9突风来源于大气环境，现已有规范给出了 大气环境的统计值。 9突风载荷是运输机类飞机的主要疲劳载荷 ?机动重复载荷：是战斗机类飞机的主要疲 劳载荷，由飞机的机动飞行产生（盘旋、俯 冲退出等） ?着陆撞击重复载荷 9飞机着陆时有一接地速度，使起落架减 振受到一撞击而产生振动，导致重复载 荷的产生 9着陆撞击载荷对机体的疲劳损伤影响极 小，但对起落架有较大影响 ?地面滑行重复载荷 9与跑道的粗糙度有关，对不同类型的跑 道已有统计结果 9对飞机机体影响极小，主要用于构成地— 空—地循环 ?地－空－地循环载荷 ?气密舱的 地 地 —空 空 —地由压差引起 地由压差引起 图 2.11 一次飞行所受到的载荷 —时间历程示意图 图 2.12 常幅载荷谱 图 2.13 程序块谱 ?随机谱：将实测核分析得到的载荷按结构 服役过程中的受载特点进行随机编排 2.5 飞机设计规范简介 飞机设计所有基本依据: ?强度规范 ?刚度规范 ?飞机试验规范 ?适航性规范 ? …… ?强度规范：规定了飞机总的强度水平，各 主要部件、构件上的外载荷以及对他们进 行强度试验时的加载条件 具体内容： 1）极限使用载荷n emax ，n emin ，q max ，q min 2）主要部件的最大使用载荷 3）安全系数f z f 的选取原则： –保证结构在使用载荷作用下不产生永久 性变形 –合理分配f 值，使结构尽可能地轻 –对不同的载荷、材料、工艺，选取不同 的f 值 z对一般铝合金，σ b /σ n =1.5，∴f =1.5； z对复合材料，∵不可避免地带有缺陷，∴ 附加系数1.25，f =1.5×1.25； z对经常重复作用且时间长的载荷，f =1.5×1.3≈2.0； z对经常重复作用但时间短的载荷，f =1.5× （1.1～1.2）=1.65～1.80； z对重要件接头（应力分布复杂），附加系 数1.25； z对机翼，可参见下表。 设计情况 n e qC y f A n emax 1.5 A’ n emax q maxmax 1.5 B0.5n emax q maxmax 2 C0q maxmax 2 D n emin 1.5 D’ n emin q maxmax 1.5 z设计情况的选取 9飞机在飞行过程中所受的载荷是多种多 样的，在飞机设计过程中如果对每种情 况都加予分析的话，那就太复杂了 9从原则上讲，凡是使结构易遭破坏、人 员易受到损伤的载荷情况，都应选作设 计情况 9设计规范对全机和各主要部件的设计情 况作了规定，对全机而言，将这些设计 情况反映在飞机包线上 图 2.14对称机动飞行包线 z “情况A”—小速度，大攻角，大过载（平飞 拉起） z “情况A′”—大速度，小攻角，大过载（急 剧退出俯冲） z “情况B”—高速，小攻角，曲线飞行（下滑 转弯） z “情况C”—q=q max ，副翼偏转（垂直俯冲 z “情况D”—小速度，大负攻角，n y =n min z “情况D′”—大速度，小负攻角，n y =n min 图2.15各种受载情况下气动载荷的弦向分布 图2.16机翼的设计情况 及其对应的飞行轨迹 AD E F V 3 0 - 1 MD-82－机动包线 V 0 - 1 2 1 B＇ C＇ D＇ E＇ F＇ G＇ MD-82－突风包线 ?刚度规范：规定了飞机部件允许的弯曲和 扭转变形，气动弹性的临界速度 ?在使用载荷下引起的弹性变形、永久变 形及热应变的总和以及实际存在的机械 间隙等不得妨碍飞机操纵系统的运动或 降低飞机操纵的灵敏度，不能影响飞机 飞行性能品质要求，不得引起颤振等气 动弹性及空气热弹性的不稳定，不应发 生抖振或共振等 ?飞机适航性的指标：大气条件、机场条件； 对出现故障、差错及其后果影响的限制， 故障飞行的性能要求，应由的飞行包线规 定，飞行品质、操纵品质规定，防火、防 腐指标，驾驶舱及视界的规定，警告装置 要求，仪表、电气、特种设备的适航指标， 迫降时的安全指标，救生要求以及动力装 置的适航指标 ?飞机试验规范：静力、动力学和试飞试验