2025/8/231第二章

飛機結(jié)構(gòu)的外載和典型構(gòu)造本章內(nèi)容

1飛機的外載荷

2介紹機翼、尾翼和機身的典型結(jié)構(gòu)

2025/8/232第二章

飛機結(jié)構(gòu)的外載和典型構(gòu)造2.1飛機的外載荷

一.

飛機結(jié)構(gòu)的主要載荷

飛機作為運載工具要求反復使用，可能經(jīng)歷各樣的復雜載荷歷程。最主要、最基本的有哪些？對結(jié)構(gòu)的影響作用是什么？這是設計師們關心的基本問題；其次是不同載荷形態(tài)與主要載荷的差異以及這些載荷的變化規(guī)律（包括大氣氣象規(guī)律的統(tǒng)計）。

1.思維要點：主要載荷形式；②主要載荷分類；③作用于結(jié)構(gòu)如何分析。

2025/8/2332.1飛機的外載荷

2.載荷的參照坐標系：機體坐標系

2025/8/2342.1飛機的外載荷

3.基本載荷形態(tài)及分析

從飛行原理上可以知道：

加力飛行；勻速平直飛行；停機、滑跑狀態(tài)。

2025/8/2352.1飛機的外載荷

2025/8/2362.1飛機的外載荷2025/8/2372.1飛機的外載荷

飛機的外載：重力（G)、升力（Y)、

阻力（X）、推力（P）、起落架載荷。

慣性力：質(zhì)量乘以加速度的負值質(zhì)量力：飛機重力G（mg）和慣

性力N(-ma)均與飛機質(zhì)

量m有關，故統(tǒng)稱為質(zhì)量力。2025/8/2382.1飛機的外載荷達朗倍爾動靜分析（剛體動平衡）

2025/8/2392.1飛機的外載荷

飛機的外載圖像演示2025/8/2310

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)1.俯沖拉起:對稱面內(nèi)作曲線機動飛行情況（縱向飛行）

飛機的升力使飛機保持向心曲線運動。2025/8/23112.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

動平衡關系：（機體坐標系y向）

,表現(xiàn)了運動的變速特征（曲線運動）

即：

升力等于G乘上一個系數(shù)，該系數(shù)稱為載荷系數(shù)。2025/8/23122.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)分析該曲線運動中，的特性：①②與曲線航跡半徑成反比，與切線運動速度的平方成正比，這表明：若一定，v一定，則運動半徑就規(guī)定了；太小，則結(jié)構(gòu)承載發(fā)生問題；若一定，v一定，則速度就要限制。③由此看來，對結(jié)構(gòu)設計是一個重要的無量綱載荷系數(shù)。

2025/8/2313

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)二.載荷系數(shù)的概念1.載荷系數(shù)定義：除重力外，作用在飛機某方向上的所有外力的合力與當時飛機重量的比值，稱為該方向上的載荷系數(shù)。Note：①對重力視可不見；

②千萬不能計及慣性力；

③機體坐標系為正向；

④載荷系數(shù)是一矢量，分量用nx、ny、nz表示。e.g.平直勻速飛行：ny=1

平直勻速倒飛：ny=-1（-Y/G

Y與機體坐標系相反）

2025/8/2314

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

(2)物理意義：

①表示了作用于飛機重心處的外力與飛機重力的比值關系；

②表示了飛機質(zhì)量力（重力與慣性力均與質(zhì)量有關，故統(tǒng)稱為質(zhì)量力）與重力的比率。

（應注意質(zhì)量力與外力方向相反）

③飛機的質(zhì)量力應當是飛機的各部分質(zhì)量力之和：2025/8/23152.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)④飛機中的某集中質(zhì)量GI=mig，作用在結(jié)構(gòu)上的質(zhì)量力為： ⑤當飛機沿x方向有變速運動時，x向慣性力：

若俯沖拉起中的曲線運動中，切向是加速運動，則：

⑥nz=0（飛機展向變速平移難）；az一般較小，在大機動飛行中可能出現(xiàn)。

2025/8/23162.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

2、實用意義

①作為飛機結(jié)構(gòu)設計時重要原始載荷系數(shù)；

②n的大小實際反映了飛機的機動性能；

③結(jié)合n和已知的氣動力分布，可獲得實際作用于結(jié)構(gòu)上載荷的大小，從而進行設計與校驗。

④可通過在飛機重心處安裝加速度計來獲取。

2025/8/2317

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

三、其他飛行姿態(tài)的過載

1、進入俯沖狀態(tài)：

（可能為負，說明升力不總是正的）2、垂直俯沖狀態(tài)：

(外作用合力等于慣性力合力的負值)

2025/8/23182.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

3、等速水平盤旋：（非對稱機動飛行）

2025/8/23192.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

2025/8/23202.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)4、垂直突風(在航跡運動坐標系中分析)2025/8/23212.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

（1）計算突風引起的升力變化:

（2）計算載荷系數(shù)

Note:若突風不垂直飛機時,應怎樣處理?

2025/8/23222.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

5、飛機轉(zhuǎn)動(升降)時的過載(剛體運動分析)2025/8/23232.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

①運動分析:

旋轉(zhuǎn)+平移②

載荷分析:當平尾產(chǎn)生機動載荷時,飛機產(chǎn)生平移與旋轉(zhuǎn)；該載荷克服了飛機原有的平飛狀態(tài),使飛機在上述兩個運動中產(chǎn)生加速度。從動平衡角度,平尾機動載荷與它克服的慣性力及力矩相平衡。

2025/8/23242.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

Ⅰ.平移速度載荷系數(shù)(質(zhì)點)(外載分析法)

Ⅱ.繞中心轉(zhuǎn)動的載荷系數(shù)(質(zhì)量力分析法)Note:

①表示單位長度上的重力

②

集中裝載物(發(fā)動機,機載設備)③要注意裝載物較長的情況,當作集中點誤差太大,則應

(繞自身重心軸的質(zhì)量慣性矩)

i表示轉(zhuǎn)動軸線上的任意位置

YtmyxiNiyNiyx2025/8/23252.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

6、著陸時的過載

2025/8/2326

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

①

這里的過載定義與空中飛行情況不同。當空中勻速飛行時,ny=1表示Y/G=1

地面滑行或停止態(tài)時,再以升力來定義已毫無意義,

應以地面的支撐載荷與重量之比來定義,

即ny=1=Plg/GNote:i.

這兩種情況下的ny=1,但飛機結(jié)構(gòu)的承載方式卻

完全不同,勻速平飛是一種分布載荷作用,而著陸

主要是以集中力形式作用于起落架上,通過起落

架作用于機身。

2025/8/23272.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

ii.工程上,常稱平飛時ny=1為平飛的1g(g是以重力為單位)；停機時ny=1為停機的1g2025/8/23282.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

②

著陸時載荷分析:從著陸前到完全著陸瞬間,飛機y向

速度從-Vy減至零,故此時的減速度為:

所以，減速度a指向機體坐標系y的正向，故此時的慣性力(作用于地面)的方向是向下的。

由動平衡分析:

2025/8/23292.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

③

由著陸時的載荷(地面給予的外載荷)與重量之比

的過載定義,即設:

④這個過載不允許過大,一般ny=3~4(因為與飛行時對結(jié)構(gòu)與人的作用不同)

著陸或滑時的情況多樣,還可能發(fā)生nx,或nz.2025/8/23302.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

7、飛機設計時最大載荷系數(shù)的選?、儆绊戇x擇最大載荷系數(shù)的因素:i.

載荷系數(shù)實際反映了飛機的機動性能,因此越大越好,但對運輸機

或客機則沒有太大必要。Ⅱ.載荷系數(shù)又反映了對結(jié)構(gòu)的載荷作用,載荷系數(shù)越大,表明飛機

結(jié)構(gòu)的承載越大,要有足夠的剛、強度，則結(jié)構(gòu)重量大。

2025/8/23312.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

Ⅲ.載荷系數(shù)的載荷作用，不僅對結(jié)構(gòu)有作用，而且對機載設備及乘員有載荷作用。載荷系數(shù)越大，對他們的作用越強，要視他們的承受能力而定。Ⅳ.

飛行時的載荷系數(shù)（除突風干擾外），一般來自于發(fā)動機的推力，載荷系數(shù)大，結(jié)構(gòu)要重，發(fā)動機的加力性能要好，即剩余推力要大。Ⅴ.

載荷系數(shù)的選擇影響因素眾多，要依據(jù)技術(shù)性能要求綜合確定,并不是越大越好。2025/8/23322.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

②

人對過載的反映：

②說明人在短時間承受較大過載尚可，特別是正過載。較長時間承受過載能力很差，特別是負過載。戰(zhàn)斗機的過載一般為-3~8民機則無必要。③提高人抗過載的能力：抗過載服。④規(guī)范中的過載系數(shù)可供選擇(飛行包線上給定）。

2025/8/23332.3復雜載荷情況

飛機是一種反復使用的運載工具或作戰(zhàn)武器。服役期內(nèi)會遇到各種載荷。設計中，不僅應掌握典型設計狀態(tài)中的極限載荷及其對結(jié)構(gòu)作用的分析方法，（以作為飛機結(jié)構(gòu)極限能力的設計依據(jù)）；還應把握這些載荷的變化規(guī)律，作用次數(shù)等統(tǒng)計規(guī)律，因為這些雖未達到極限狀態(tài)，但長期作用仍對結(jié)構(gòu)有破壞作用，這就是通常所說的疲勞載荷。

2025/8/23342.3復雜載荷情況

一、疲勞載荷飛機遇到載荷長期反復變化地作用，這種作用會導致結(jié)構(gòu)的“疲勞”破壞，因此這種載荷歷程一般稱為“疲勞”載荷。

類型：1.突風載荷：大氣紊流的作用，是民機、運輸機的重要疲勞 載荷，大氣紊流的強度以及作用的次數(shù)統(tǒng)計；2.機動載荷：飛機機動（變速）飛行中升力變化載荷，是軍機的主要疲勞載荷，機動飛行的種類,飛行次數(shù)等；3.增壓載荷：氣密壓艙一個飛行起落中，壓力的變化，增壓載 荷的變化規(guī)律，作用次數(shù)等統(tǒng)計；4.著陸撞擊載荷：一個起落一次撞擊，撞擊載荷的強度；

2025/8/23352.3復雜載荷情況

⑤地面滑行載荷：指地面滑行飛機顛簸所受到的載荷，與飛機跑道的質(zhì)量、飛機的重量等有關；⑥發(fā)動機動力裝置的熱反復載荷；⑦地-空-地循環(huán)載荷：飛行地面滑行時的1g載荷變化到空中 飛行的1g載荷，這種均值載荷的變化也是疲勞載荷；⑧

其他：機翼尾流對尾翼的周期性作用

tp2025/8/23362.3復雜載荷情況

作用：①

設備工作的影響；②

人員的不適；③

結(jié)構(gòu)疲勞導致缺陷生長成裂紋并不斷發(fā)展，最終導致斷裂 ④

疲勞載荷是飛機設計中最重要的考慮因素，是定壽的基本依據(jù)。二、其他特殊情況載荷

1、非正常狀態(tài)載荷:單發(fā)停車、尾旋、單輪著地、打地轉(zhuǎn)、機頭碰地、飛機翻倒、強迫著陸等情況。

2025/8/23372.3復雜載荷情況

2、鳥撞載荷

鳥撞試驗，2km以下最大飛行速度飛行時風檔承受1.8kg鳥撞。3、冰雹載荷

防冰、破冰措施，考慮承受冰雹撞擊（密度、直徑、速度等）4、噪聲：聲壓場測量

預測聲載荷大小、分布、作用時間，聲振結(jié)構(gòu)疲勞分析動力裝置噪音：螺旋槳、壓氣機、噴氣的噪音空氣動力噪音：附面層壓力波動、尾流、激波振蕩武器發(fā)射噪音：機炮、導彈、火箭發(fā)射5、瞬時的響應載荷

起飛助推、外掛物投放、彈射等對飛機結(jié)構(gòu)作用的載荷。2025/8/23382.3復雜載荷情況

三、環(huán)境譜的編制 前面的載荷譜為載荷大小隨時間的變化，即載荷—時間歷程，環(huán)境譜則為環(huán)境強度隨時間的變化，即環(huán)境—時間歷程。一架飛機使用壽命：民機30000――60000飛行小時

軍機3000－8000飛行小時

日歷壽命20―25年

地面停放的影響主要是環(huán)境。1.環(huán)境譜的編制步驟：

①確定飛機使用環(huán)境種類（根據(jù)飛機的特定用途和使用方法）②根據(jù)戰(zhàn)、技要求或使用要求，確定飛機在不同地域服役時間 ③根據(jù)使用任務剖面（規(guī)定了任務類型、有效負載、飛行時 間和該任務的使用百分比），確定各任務段的時間比例及地面停放時間比例； ④獲取環(huán)境數(shù)據(jù)；⑤編制各類環(huán)境譜。

2025/8/23392.3復雜載荷情況

2、溫度效應及其載荷

來源：

①高速氣流運動（一般）在機體表面的摩擦生熱，與環(huán)境溫度及

飛行速度有關：

②發(fā)動機燃燒及其尾部熱氣流對結(jié)構(gòu)的作用。

作用：

①一般降低結(jié)構(gòu)材料的強、剛度；

②產(chǎn)生熱變形/熱應力；

均勻溫度對靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱變形而無熱應力；溫度梯度產(chǎn)生熱變形和熱應力；

均勻溫度對靜不定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱應力。

③

熱的蠕變效應。tδ2025/8/23402.4飛機設計規(guī)范

飛機設計規(guī)范簡介：

①指定設計規(guī)范的意義：對飛機設計和研制給出全面要求的指令性技術(shù)文件，是飛機設計員的工作依據(jù).

②政府與權(quán)威研究機構(gòu)組織制定，也可與設計主管部門

共同制定。

③設計規(guī)范不是統(tǒng)一的，而是針對不同的飛機類型制定不同的設計規(guī)范，因為飛機的任務與技戰(zhàn)術(shù)要求不同。

④設計規(guī)范與設計手冊是飛機設計人員的基本工具。2025/8/23412.4飛機設計規(guī)范

一、規(guī)定了飛機的分類及其相應的載荷系數(shù)（結(jié)構(gòu)設計規(guī)范）

①按用途分：殲擊機（J）；強擊機（Q）；殲擊教練機（JJ）

多用途機（DY）；教練機（JL）；轟炸機（H）

大型運輸機（YH）

②用機動性分機動類（殲擊機，強擊機及相應的教練機）ny=-3~8

半機動類（戰(zhàn)術(shù)轟炸機，多用途飛機）ny=-2~4、

非機動類（戰(zhàn)略轟炸機，運輸機）ny=-1~32025/8/23422.4飛機設計規(guī)范

二、規(guī)定了飛行包線及設計情況

1、設計情況具有代表性的最嚴重的各種飛機載荷情況。

使飛機結(jié)構(gòu)易遭到破壞、人員設備易受損傷的載荷情況都應入選最大的正向和反向載荷情況對主要結(jié)構(gòu)件將產(chǎn)生危險損壞的載荷情況對飛行戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能將產(chǎn)生嚴重影響的載荷情況對人員將產(chǎn)生損傷的載荷情況總載不大，但載荷作用的具體情況特殊，影響嚴重，也應作為設計情況考慮。對稱機動飛行包線的A,B,D,E情況非對稱機動中的滾轉(zhuǎn)機動、滾轉(zhuǎn)改出對稱著陸情況、偏航著陸、單個起落架著陸情況等。2025/8/23432.4飛機設計規(guī)范

2、設計重量①

最小飛行重量；空機重＋5％燃油＋最少乘員②最大設計重量；攜帶最大機內(nèi)及機外裝載③基本飛行設計重量；空機重＋50％燃油＋基本武器重量＋乘員、滑油、氧氣重量④

著陸設計重量。最大設計重量－50％機內(nèi)及機外燃油2025/8/23442.4飛機設計規(guī)范

3.飛行包線i.

依據(jù)飛機飛行性能、操縱性、穩(wěn)定性以及技戰(zhàn)術(shù)要求，結(jié)構(gòu) 強度要求等綜合確定的飛機飛行極限（ny—vdl圖）。ii.

典型飛行狀況的飛行包線

Ⅲ.典型飛行載荷工況：

a)對稱機動飛行下的使用載荷；

b)急劇俯仰機動；

c)襟翼放下拉起狀態(tài)；

d)滾轉(zhuǎn)與滾轉(zhuǎn)改出機動等。2025/8/23452.4飛機設計規(guī)范

4、安全系數(shù)：fi.安全系數(shù)是靜強度安全設計的主要解決方法。

使用載荷：飛機在使用中預計各構(gòu)件可能遇到的最大載荷

設計載荷：使用載荷乘以安全系數(shù)安全系數(shù)取法凡在規(guī)范中未作特殊說明之處，安全系數(shù)均為1.5；當載荷的性質(zhì)、大小和分布不能準確確定時，安全系數(shù)增大到1.65、2或更大；對于主要的接頭和耳片，由于特殊重要性，在上述安全系數(shù)基礎上，尚應乘以附加安全系數(shù)1.25ii.靜強度設計準則：

2025/8/23462.4飛機設計規(guī)范

iii.使用設計載荷的原因：a)保證結(jié)構(gòu)安全；b)反映靜不定結(jié)構(gòu)的承載能力，充分發(fā)揮靜不定結(jié)構(gòu)的承載

能力，可使結(jié)構(gòu)設計得更輕；c)便于與破壞載荷的理論設計實驗驗證；d)f值選取的影響因素；e)設計要求（結(jié)構(gòu)不能有影響功能的永久變形，強度裕度）；f)材料應力應變特征(控制在一定應力水平和應變條件下）；g)工藝制造水平；h)計算、試驗誤差（粗糙、準確程度）。

2025/8/23472.5民用飛機適航性

1適航管理條例

飛機在進行運輸及其他航空作業(yè)時，須適應各種氣象、地形、距離、載荷、飛行高度、空中交通規(guī)則程序等項要求，才能安全、及時和經(jīng)濟地運送旅客或完成其他飛行作業(yè)。為了保證飛行安全，飛機首先要具備相應的適航性能，為此世界各國民航當局對飛機的設計、生產(chǎn)、使用和維修等都制定了適航標準，規(guī)定或?qū)彾òl(fā)證以及實施檢查監(jiān)督。2025/8/23482.5民用飛機適航性

主要內(nèi)容有：（1）

制定各類適航標準和審定監(jiān)督規(guī)則；（2）

民用航空器設計的型號合格審定（3）

民用航空器制造的生產(chǎn)許可審定（4）

民用航空器的適航檢查（5）

民用航空器的持續(xù)適航管理2025/8/23492.5民用飛