2025/8/231

飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第一章

緒論

1.1飛行歷史與原理

1.2飛機(jī)結(jié)構(gòu)組成及功用

1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

1.4飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料

1.5現(xiàn)代飛機(jī)性能的基本概念

2025/8/2321.1

人類飛行歷史與原理

1903年美國(guó)萊特兄弟實(shí)現(xiàn)了人類

第一次動(dòng)力飛行。

2025/8/233

1.1人類飛行歷史與原理

撲翼——鳥類

2025/8/234

1.1人類飛行歷史與原理

固定翼——常見(jiàn)飛機(jī)

2025/8/235

1.1人類飛行歷史與原理

旋翼——直升機(jī)

2025/8/236

1.2飛機(jī)結(jié)構(gòu)組成及功用

飛機(jī)結(jié)構(gòu)有五大組成部分：

機(jī)身：裝載。

機(jī)翼：產(chǎn)生升力。

尾翼：使飛機(jī)具有操縱性與穩(wěn)定性。

起落架：起飛、著陸、滑跑用。

發(fā)動(dòng)機(jī)：產(chǎn)生推力。

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1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

一.飛機(jī)研制過(guò)程：（四個(gè)階段）

1.擬定技術(shù)要求:

戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求、使用技術(shù)要求。

包括:主要技術(shù)性能指標(biāo)、

主要使用條件、機(jī)載設(shè)備等。

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1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

軍用飛機(jī)的技、戰(zhàn)術(shù)要求：

飛機(jī)的最大速度；升限；航程/最大作戰(zhàn)半徑；起、降滑跑距離；載重；機(jī)動(dòng)性指標(biāo)（加力性能，盤旋半徑，爬升性能，最大允許過(guò)載系數(shù)）；隱身；維護(hù)與保障性能；使用壽命；可靠性與安全性能。民用飛機(jī)使用技術(shù)要求：

有效載重；航程；安全性、可靠性、維修性、經(jīng)濟(jì)性。

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1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

技術(shù)性能論證與制定（頂層設(shè)計(jì)）過(guò)程依據(jù)：軍事戰(zhàn)略方針及戰(zhàn)術(shù)（戰(zhàn)略防御）要求； 商務(wù)策略，工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，賑災(zāi)救護(hù)等要求；制定：主要性能指標(biāo)； 主要使用條件； 機(jī)載設(shè)備等;

效能分析、費(fèi)效分析。2025/8/2310

1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

2.飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程

[1]總體設(shè)計(jì)：氣動(dòng)外形布局設(shè)計(jì)；飛行力學(xué)性能設(shè)計(jì)； 機(jī)載設(shè)備（包括燃油）布置等，重量分設(shè)計(jì)；發(fā)動(dòng)機(jī)選型設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)總體尺寸設(shè)計(jì)。

[2]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：理論設(shè)計(jì)（打樣設(shè)計(jì)）；強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)； 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)；工程繪圖。

2025/8/2311

1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

[3]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)根據(jù)飛機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)要求、飛機(jī)三面圖、總體布置圖、外形圖和規(guī)定的載荷情況、環(huán)境情況、使用方 法，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本要求，設(shè)計(jì)出合乎使用要求且強(qiáng)度、剛度、疲勞、損傷容限品質(zhì)合格，工藝性良好，滿足重量的機(jī)體結(jié)構(gòu)，為試制和批生產(chǎn)提供全套的圖樣和技術(shù)文件。

應(yīng)當(dāng)注意設(shè)計(jì)階段的規(guī)律：反復(fù)、循環(huán)、迭代、反饋；綜合性、權(quán)衡性

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1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

3.飛機(jī)制造過(guò)程

工藝設(shè)計(jì)、機(jī)械加工、部件/全機(jī)裝配。

首批試制出來(lái)的新飛機(jī)即可投入全機(jī)強(qiáng)度、疲勞壽命試驗(yàn)和試飛。

4.飛機(jī)的試飛、定型過(guò)程

地面滑跑試驗(yàn)；起、降性能試驗(yàn)； 飛行包線中各飛行科目試飛試驗(yàn)；2025/8/2313

飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

飛機(jī)的試飛、定性

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1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

定型：有待結(jié)構(gòu)的靜力及疲勞試驗(yàn)完成后， 沒(méi)問(wèn)題才定型全尺寸疲勞試驗(yàn)：全尺寸飛機(jī)的疲勞試驗(yàn)是波音結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)開發(fā)的主要部分。除了驗(yàn)證飛機(jī)設(shè)計(jì)思想之外，疲勞試驗(yàn)經(jīng)常被用來(lái)找出設(shè)計(jì)時(shí)未預(yù)料到的損壞，進(jìn)而制定出適當(dāng)?shù)臋C(jī)隊(duì)的預(yù)防性維修措施。通常疲勞試驗(yàn)是在新機(jī)型認(rèn)證時(shí)完成，但也有在已使用過(guò)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)上完成的。

2025/8/2315飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

2025/8/2316飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

2025/8/2317

1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

二、飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程概述

1、設(shè)計(jì)的內(nèi)涵：

①創(chuàng)造性的思維過(guò)程；

②全面、綜合的辨證過(guò)程（抓主要矛盾）；

③設(shè)計(jì)的不唯一性；

④設(shè)計(jì)的反復(fù)性；

⑤設(shè)計(jì)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)

⑥

設(shè)計(jì)的繼承性；的關(guān)系。

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1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

2、飛機(jī)設(shè)計(jì)的主要階段概述(三個(gè)主要階段)

①總體設(shè)計(jì)階段：主要解決飛機(jī)的構(gòu)形布局、參數(shù)、重量以及性能方面的問(wèn)題。②飛機(jī)結(jié)構(gòu)的打樣設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)受力形式選擇、受力構(gòu)件布置、開口布置、分離面及其連接形式等計(jì)。③飛機(jī)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)件連接設(shè)計(jì)、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、工程制圖）。2025/8/2319

1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

B777成為第一架無(wú)圖設(shè)計(jì)飛機(jī)。2025/8/2320飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

三、飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)和原始條件

主要依據(jù)：9條

1.

使用方提出的戰(zhàn)技要求或使用—技術(shù)要求

2.飛機(jī)三面圖及理論外形圖

3.飛機(jī)總體布置圖

4.重量指標(biāo)分配及總重量

5.使用壽命要求

6.載荷和使用環(huán)境條件

7.維修性要求

8.生產(chǎn)條件和工藝性要求

9.其它有關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)2025/8/2321

1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

原始條件：4條

1、飛機(jī)結(jié)構(gòu)的外載特征以及對(duì)結(jié)構(gòu)承載的要求

①外載的形式（集中、分布、沖擊的、周期、熱等）；

②外載的歷程特征（不同的飛行，載荷的變化規(guī)律）；

③外載對(duì)結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)（抖振、顫振）；

④結(jié)構(gòu)承載的強(qiáng)度、剛度（靜、動(dòng)、熱、整體、局部）要求；

⑤結(jié)構(gòu)壽命要求；損傷容限要求；

⑥經(jīng)濟(jì)性要求（生產(chǎn)/維修成本）。

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1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

2、飛機(jī)結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)關(guān)系

①各部件的相對(duì)位置以及相互間連接交點(diǎn)的位置 （不能改動(dòng)）；

②零、構(gòu)件之間在連接尺寸上的協(xié)調(diào)關(guān)系；

③各構(gòu)件間或構(gòu)件與內(nèi)部裝載間的位置、形狀協(xié)調(diào)；

④部件或組件結(jié)構(gòu)的外邊界一般與飛機(jī)的理論外 形相協(xié)調(diào)；

⑤其內(nèi)部邊界可能需與某個(gè)內(nèi)部裝載協(xié)調(diào)，也可能 不需協(xié)調(diào)。

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1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

3、結(jié)構(gòu)的使用條件

（1）環(huán)境條件：指氣象條件或周圍介質(zhì)條件（溫度、濕度、腐蝕、有害介質(zhì)等）。（2）起降場(chǎng)所條件：水、陸兩棲；陸地：水泥、土跑道。（3）維修條件：外場(chǎng)維修；場(chǎng)站或基地維修。

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1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

4、生產(chǎn)條件（1）工藝條件（熱加工、冷加工、少量或批量，

加工精度與性能的保障性）；（2）加工能力（小量或大批量，加工精度與

加工性能）；（3）裝配能力（裝配精度、裝配量大?。?；

（4）生產(chǎn)能力（產(chǎn)量）；

（5）生產(chǎn)質(zhì)量保障體系（技術(shù)與管理）。

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1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

四、飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本要求：5條

1、氣動(dòng)外形要求：

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，與外邊界相關(guān)的結(jié)構(gòu)（框架結(jié)構(gòu)與蒙皮）要保證理論氣動(dòng)外形的剛度（整體或局部的）以及光潔度（阻力及其他熱效應(yīng)），強(qiáng)度問(wèn)題應(yīng)當(dāng)是首先保證的。２、重量要求

應(yīng)當(dāng)體會(huì)到重量設(shè)計(jì)是在滿足各種結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的前提下，使重量最輕。從優(yōu)化數(shù)學(xué)語(yǔ)言，在滿足各種性能指標(biāo)約束下，使重量目標(biāo)函數(shù)最小。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，僅為滿意解（總體設(shè)計(jì)分解到各結(jié)構(gòu)上的重量指標(biāo)）。

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1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

３、使用維修要求：結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的安全可靠工作需要定期地檢修維護(hù)來(lái)保障，良好的維修性、保障性是工程設(shè)計(jì)的主要因素。具體來(lái)說(shuō)，合理地布置分離面及各種開口，結(jié)構(gòu)內(nèi)部安排必要的檢查維修通道，增加結(jié)構(gòu)的開敞性和可達(dá)性。４、工藝要求：良好的工藝性設(shè)計(jì)是保證加工、裝配合理精度及性能的前提。

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1.3飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

５、成本要求（經(jīng)濟(jì)性）：

飛機(jī)的主要成本：設(shè)計(jì)、研制、制造和運(yùn)營(yíng)。對(duì)軍機(jī)而言，成本不應(yīng)當(dāng)是第一要求，重量與性能是第一位的。對(duì)民用客機(jī)，成本是第一要求。一般說(shuō)，氣動(dòng)性能、使用要求是“前提性”要求，氣動(dòng)外形、結(jié)構(gòu)與強(qiáng)剛度設(shè)計(jì)技術(shù)是“前提”技術(shù)。技術(shù)要求與技術(shù)性能是互相聯(lián)系、互相制約的，有的甚至是相互矛盾的，應(yīng)當(dāng)在一個(gè)好的設(shè)計(jì)素質(zhì)基礎(chǔ)上，把握主要矛盾，綜合考慮，權(quán)衡處理。

2025/8/2328飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

五.飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容：

(1)結(jié)構(gòu)的打樣設(shè)計(jì)（畫出部件打樣圖）

(2)組件的打樣設(shè)計(jì)（畫出組件打樣圖）

(3)零構(gòu)件設(shè)計(jì)（畫出零構(gòu)件圖紙）

(4)組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（畫出組件裝配圖）

(5)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（畫出部件裝配圖）

2025/8/2329飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

組件的打樣設(shè)計(jì)打樣圖

2025/8/2330飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

六.飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的典型方法

在二十世紀(jì)五十年代以前，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般根據(jù)所設(shè)計(jì)對(duì)象的具體要求、條件，結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)與設(shè)計(jì)原理、知識(shí)進(jìn)行；定性分析，選出合理的設(shè)計(jì)方案；然后粗略計(jì)算，選擇結(jié)構(gòu)的主要截面尺寸。

2025/8/2331飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核，以驗(yàn)算截面尺寸能否保證安全。如果滿足強(qiáng)度要求，即認(rèn)為設(shè)計(jì)完畢；當(dāng)強(qiáng)度不夠，或設(shè)計(jì)人員認(rèn)為剩余強(qiáng)度太大時(shí)則修改設(shè)計(jì)。計(jì)算分析均以工程梁理論為基礎(chǔ)。六十年代以后，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了有限元等先進(jìn)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

2025/8/2332飛機(jī)設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

六十年代以后，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了有限元等先進(jìn)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

有限元模型2025/8/2333BOEING三代飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想發(fā)展

第一代：第一代的波音噴氣客機(jī)是在50年代和70年代

間設(shè)計(jì)的，包括707，727和早期的

737（-100，-200），747（-100,-200,-300,SP）。

這些飛機(jī)設(shè)計(jì)的主要特征著重于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和失效安全。因此設(shè)計(jì)的飛機(jī)具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和超靜定度，即使主要的結(jié)構(gòu)件失效，其周圍的結(jié)構(gòu)仍可安全地承受載荷。

2025/8/2334BOEING三代飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想發(fā)展

第二代：第二代的波音噴氣客機(jī)是757和767，和

737（-300,-400,-500），以及747-400。除了原有的強(qiáng)度和失效安全規(guī)格之外，還更在設(shè)計(jì)中結(jié)合了耐久和損傷容限標(biāo)準(zhǔn)。此種設(shè)計(jì)使飛機(jī)結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，即使飛機(jī)結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)程度的損傷，只要有例行的結(jié)構(gòu)檢查，仍可安全地飛行。因?yàn)檫@種計(jì)劃中的結(jié)構(gòu)檢查應(yīng)能在損傷還未到到危險(xiǎn)極限以前便可及時(shí)地被發(fā)現(xiàn)。

2025/8/2335BOEING三代飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想發(fā)展

第三代：第三代波音噴氣客機(jī)是777和新一代

737（-600,-700,-800），除了具有第一，二代客機(jī)已有的特性之外，這一代的客機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是在腐蝕預(yù)防和控制方面作了重大的改進(jìn)。

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1.4飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料

合金材料：鋁合金、鈦合金、高強(qiáng)度合金鋼。

復(fù)合材料：玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料、芳綸（KEVLAR）復(fù)合材料。

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1.4飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料

表1-2民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)用材料重量百分比重量百分比復(fù)合材料鋁合金鈦合金鋼第1代Boing7070.2第2代Boing747181413A300576413第3代Boing767380214Boeing757378612A3205.576.54.513.5第4代Boing7771170711A340875682025/8/2338

1.4飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料