航空結(jié)構(gòu)技術(shù)教案課件

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1、,#,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,會(huì)計(jì)學(xué),單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),會(huì)計(jì)學(xué),1,航空結(jié)構(gòu)技術(shù),2,第二章 飛機(jī)的外載荷和設(shè)計(jì)情況,2.1,飛機(jī)的外載荷和過(guò)載,2.2,安全系數(shù)與設(shè)計(jì)載荷,2.3,飛機(jī)設(shè)計(jì)情況,作用在飛機(jī)上的外載荷,過(guò)載或過(guò)載因數(shù),使用載荷,設(shè)計(jì)載荷,安全系數(shù),典型飛行情況與機(jī)動(dòng)過(guò)載,對(duì)稱機(jī)動(dòng)飛行包線與相應(yīng)參數(shù)確定,突風(fēng)過(guò)載飛行包線,彈性變形引起載荷修正,飛機(jī)外載荷,飛機(jī)飛行情況與過(guò)載,設(shè)計(jì)載荷與安全系數(shù),第1頁(yè)/共34頁(yè),3,第二章的知識(shí)重點(diǎn),2.1,飛機(jī)的外載荷和過(guò)載,2.2,安全系數(shù)與設(shè)計(jì)載荷,2.3,飛機(jī)設(shè)計(jì)情況,作用在飛機(jī)上的外載荷,過(guò)載和

2、過(guò)載系數(shù),使用載荷,設(shè)計(jì)載荷,安全系數(shù),典型飛行情況與機(jī)動(dòng)過(guò)載,對(duì)稱機(jī)動(dòng)飛行包線與相應(yīng)參數(shù)確定,突風(fēng)過(guò)載飛行包線,彈性變形引起載荷修正,第2頁(yè)/共34頁(yè),4,飛機(jī)的外載荷,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷還應(yīng)考慮慣性載荷和使用過(guò)程中的其它載荷，如增壓艙載荷等。,對(duì)于復(fù)合材料還應(yīng)更多的考慮環(huán)境造成的載荷。如溫度和濕度造成的載荷。但通常將其放在材料的安全系數(shù)之中。,第3頁(yè)/共34頁(yè),5,外載荷和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),飛機(jī)的外載荷及強(qiáng)度規(guī)范是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算的重要依據(jù)。,本章主要介紹如何確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的外載荷,。,使用過(guò)程中，影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要載荷有：,影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要載荷,飛行中的空氣動(dòng)力,重 力,著陸時(shí)的地面沖擊

3、力,這章介紹的內(nèi)容：飛機(jī)飛行中的載荷,第4頁(yè)/共34頁(yè),6,升力,Y,（,L,）,阻力,X,（,D,）,動(dòng)力裝置產(chǎn)生的推力,T,（,F,）,起飛著陸時(shí)作用在前、主起落架的地面反力,P,n,、,P,m,外界作用在飛機(jī)上的外力有：,表 面 力,質(zhì)量力,與飛機(jī)的質(zhì)量,m,有關(guān)的力，其中包括飛機(jī)總重,G,和慣性力,N,。,第5頁(yè)/共34頁(yè),7,空氣動(dòng)力與慣性載荷,局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷和慣性載荷,第6頁(yè)/共34頁(yè),8,飛機(jī)在空中飛行時(shí)的受力情況可簡(jiǎn)化成圖3-1。,飛機(jī)既有平移運(yùn)動(dòng)，又有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，飛機(jī)的力和力矩平衡關(guān)系為,F,x,=0,T-X,=,ma,x,=,N,x,F,y,=0,Y,w,-Y,t,=,m,

4、(,g,+a,y,)=G+,N,y,M,z,=0,-,Y,w,C+Y,t,(,d,+,c,)=,I,z,z,式中,I,z,飛機(jī)繞,Z,軸的質(zhì)量慣性矩；,z,飛機(jī)繞,Z,軸的角加速度；,其它符號(hào)見(jiàn)圖3-1所示。,圖3-1,第7頁(yè)/共34頁(yè),9,飛機(jī)在空中飛行時(shí)的受力情況,飛機(jī)在有攻角飛行的運(yùn)動(dòng)方程為,速度坐標(biāo)系下的外載荷,為迎角；,為發(fā)動(dòng)機(jī)推力,F,和飛行器軸線夾角；,為航跡角,即飛行器質(zhì)心處的速度矢量與水平面之間的夾角；,a,和,a,n,為飛行器質(zhì)心處切向和法向加速度。,L,為升力，,G,為重力。,m,為飛機(jī)質(zhì)量。,第8頁(yè)/共34頁(yè),10,次要空氣動(dòng)力載荷,F18,飛機(jī)的尾翼引起的疲勞問(wèn)題就是

5、由于機(jī)翼產(chǎn)生的邊條渦產(chǎn)生 的抖振載荷,第9頁(yè)/共34頁(yè),11,氣流抖動(dòng)載荷,機(jī)翼、尾翼也要承受空氣動(dòng)力抖振，這種抖振將大量的相對(duì)低振幅循環(huán)加到機(jī)動(dòng)載荷中，形成載荷的波動(dòng)和疊加。所以添加抖振載荷到載荷譜中，增加了載荷譜一個(gè)數(shù)量級(jí)。,動(dòng)態(tài)模型,峰值水平下的攻角,峰值水平下的速壓,頻率,峰值加速度,彎曲模態(tài),1,32-36,175,-,225,16,1.70g,扭轉(zhuǎn)模態(tài),2,24-28,400,-,500,45,5.00g,Stab1st,彎曲,36-39,225-300,12,1.00g,Stab2nd,彎曲和,t,扭轉(zhuǎn),16-20,350,-,400,38/46,3.50g,第10頁(yè)/共34頁(yè),

6、12,2.1,典型飛行情況和機(jī)動(dòng)過(guò)載,一、平直飛行情況,飛機(jī)作水平直線等速飛行時(shí)的外載荷情況為,圖3-2,平直飛行時(shí)受載情況,此時(shí),Y,=,G,T,=,X,這種情況不考慮攻角和推力角的外載荷特點(diǎn)是：作用在飛機(jī)上的升力等于飛機(jī)的重量，即,(,Y,/,G,=1)。,第11頁(yè)/共34頁(yè),13,二、俯沖拉起情況,這是一種常用的在垂直平面內(nèi)作曲線機(jī)動(dòng)飛行的情況。,作用在飛機(jī)上的外載荷有：,Y,、,T,、,X,、,G,以及質(zhì)量慣性力,N,y,。,設(shè)飛機(jī)的速度為,V，,航線的曲率半徑為,r，,則法向（,y,向）加速度為,離心慣性力為,圖3-3 俯沖拉起時(shí)的受載情況,第12頁(yè)/共34頁(yè),14,飛機(jī)的動(dòng)平衡方程

7、為,由此可見(jiàn)，曲線飛行時(shí)，,Y,是,G,的,n,y,倍。,用,n,y,表示,Y,/,G,，,則,該升力與重力之比值稱為過(guò)載因數(shù)，簡(jiǎn)稱,過(guò)載,。,當(dāng)飛機(jī)在弧形航線的最低點(diǎn)，即,=0(,cos,=1),時(shí)，其過(guò)載達(dá)到最大值,圖3-3 俯沖拉起時(shí)的受載情況,第13頁(yè)/共34頁(yè),15,例題:,如上圖所示,飛機(jī)俯沖后沿圓弧線拉起。求:(,1)當(dāng)已知,v,=1000km/h,r,=,1000m,=45,30,0,時(shí)的,n,y,各為多少？(2)若限制,n,ymax,8，,在同樣的拉起速度下，允許的拉起圓弧半徑,r,為多大？,解：,(1)求過(guò)載,(2)求,圓弧半徑,r,=45,cos,=0.707,n,y,=

8、8.577,=30,cos,=0.866,n,y,=8.736,=0,cos,=1,n,y,=8.87=,n,ymax,于是,考慮飛機(jī)機(jī)動(dòng)性、強(qiáng)度和飛行員的承受能力的算例,第14頁(yè)/共34頁(yè),16,三、過(guò)載的概念,1.過(guò)載的定義,飛機(jī)所受除重力之外的外力總和與飛機(jī)重力之比 稱為,過(guò)載,(所有,表面力的合力,與,飛機(jī)重量,G,之比)，用符號(hào),n,表示。它沿飛機(jī)主軸的三個(gè)分量為,n,x,、,n,y,、,n,z,(,圖3-7)。,除重力之外的總外力的,y,向分量（即升力,Y,）,與飛機(jī)重力,G,之比，就是,y,向過(guò)載,n,y,，,它可能為正，也可能為負(fù)，這取決于該方向的外力情況。,圖3-7 飛機(jī)主軸

9、方向過(guò)載,x,z,y,n,y,n,z,第15頁(yè)/共34頁(yè),17,2.過(guò)載的物理意義,過(guò)載表示了飛機(jī)實(shí)際的外力與飛機(jī)重力的關(guān)系。它是用倍數(shù)的概念來(lái)表示的，是一個(gè)相對(duì)值,。他,表示飛機(jī)的受載大小和機(jī)動(dòng)能力。,一般情況下，,x,和,z,方向的過(guò)載均較小，常略去不計(jì)，主要考慮,y,方向的過(guò)載。,過(guò)載又表示飛機(jī)實(shí)際的質(zhì)量力和的情況。,俯沖拉起機(jī)動(dòng)飛行，,y,向質(zhì)量力(,G,cos,+,N,y,),是,G,的,n,y,倍。,第16頁(yè)/共34頁(yè),18,用來(lái)計(jì)算實(shí)際載荷的大小。如果我們知道了飛機(jī)的過(guò)載，就能很方便地求得飛機(jī)實(shí)際載荷的大小和方向，這便于設(shè)計(jì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)，檢驗(yàn)其強(qiáng)度、剛度。,過(guò)載是飛機(jī)機(jī)動(dòng)性指標(biāo)之一

10、，如穩(wěn)定盤旋過(guò)載是一機(jī)動(dòng)性指標(biāo)，因此它是飛機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)如能正確選取過(guò)載的極限，則既能使飛機(jī)滿足機(jī)動(dòng)性要求，又能使飛機(jī)滿足結(jié)構(gòu)的重量要求。,過(guò)載大小要考慮飛行員的承受能力，大過(guò)載會(huì)使飛行員出現(xiàn)黑視。,3.過(guò)載的實(shí)際應(yīng)用,第17頁(yè)/共34頁(yè),19,四、進(jìn)入俯沖情況,飛機(jī)在離心力作用下,視,V,與,r,的不同情況，,n,y,可以為正，也可以為負(fù)，還可以為零。,五、垂直俯沖情況,圖3-4 進(jìn)入俯沖情況,飛機(jī)在此情況下,Y,=0，,n,y,=0,在,x,方向可能存在過(guò)載,n,x,=(,T-X,)/,G,=(,N,x,G,)/,G,第18頁(yè)/共34頁(yè),20,六、等速水平盤旋情況,這是飛機(jī)機(jī)

11、動(dòng)性能的主要指標(biāo)之一，此時(shí)的受載特點(diǎn)為,盤旋傾斜角,越大，,n,y,越大。當(dāng)大坡度盤旋,=75,80 時(shí)，,n,y,=46。,盤旋時(shí)水平方向的過(guò)載為,當(dāng),=75,80,時(shí)，,n,h,=3.75.7。,第19頁(yè)/共34頁(yè),21,六、等速水平盤旋情況,第20頁(yè)/共34頁(yè),22,七、垂直突風(fēng)（陣風(fēng)）情況,垂直突風(fēng)是各種突風(fēng)中的最嚴(yán)重情況。,當(dāng)飛機(jī)處于直線水平無(wú)側(cè)滑飛行時(shí)，遭遇到一個(gè)確定形狀和強(qiáng)度的孤立垂直陣風(fēng),u,，,由于飛行速度,V,0,遠(yuǎn)大于陣風(fēng)速度，可以認(rèn)為飛機(jī)仍以速度,V,0,相對(duì)空氣運(yùn)動(dòng)，只增加機(jī)翼迎角,。升力增量,Y,為,又因,垂直突風(fēng)情況,第21頁(yè)/共34頁(yè),23,飛機(jī)平飛時(shí)遇突風(fēng)過(guò)載

12、,n,y,為,式中,C,y,升力系數(shù)增量；,迎角增量；,Y,0,飛機(jī)原平飛升力；,u,垂直突風(fēng)速度；,C,y,升力線斜率；,H,飛行高度,H,上的空氣密度；,p,=,G/S,翼載荷；,K,垂直突風(fēng)衰減系數(shù)。當(dāng)垂直突風(fēng)來(lái)得愈突然（擾動(dòng)氣流影響區(qū),L,愈?。?，,V,0,愈大，,K,值就愈接近于 1。,在暴風(fēng)雨中飛行時(shí)，,u,可達(dá)40,m/s，,將產(chǎn)生較大的過(guò)載。除此之外，周期性突風(fēng)還將引起振動(dòng)而產(chǎn)生疲勞，同時(shí)產(chǎn)生附加的振動(dòng)過(guò)載。,第22頁(yè)/共34頁(yè),24,八、考慮飛機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的過(guò)載,在距重心,x,i,處,i,點(diǎn)的線加速度為,在,i,點(diǎn),y,方向總加速度,ai,為,飛機(jī)在空中飛行時(shí)，通常既有平移運(yùn)動(dòng)，

13、又有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。若飛機(jī)在對(duì)稱面內(nèi)作曲線運(yùn)動(dòng)，平尾上會(huì)產(chǎn)生使飛機(jī)作機(jī)動(dòng)的載荷,Y,tm,，,使飛機(jī)產(chǎn)生繞,z,軸的角速度,z,、,角加速度,。,第23頁(yè)/共34頁(yè),25,n,i,隨飛機(jī)各處,x,i,的不同而不同，,x,i,有正有負(fù)，附加力矩有一定方向性，因而旋轉(zhuǎn)慣性力及其附加的旋轉(zhuǎn)過(guò)載也有正有負(fù)。,由上式可以方便地計(jì)算某一處局部的過(guò)載或外載。,如果,i,點(diǎn)處物體的重力為,G,i,，,則質(zhì)量力為,G,i,cos+m,i,a,i,（見(jiàn)圖3-8,b）。,i,點(diǎn)處的過(guò)載,n,i,為,第24頁(yè)/共34頁(yè),26,2.2,過(guò)載的確定,一、過(guò)載的測(cè)定,過(guò)載與飛行狀態(tài)密切相關(guān)，左圖給出了不同飛行軌跡時(shí)的過(guò)載。,飛機(jī)

14、的機(jī)動(dòng)性；敏捷性。,第25頁(yè)/共34頁(yè),27,得到過(guò)載的方法,計(jì)算：根據(jù)各典型機(jī)動(dòng)飛行中有關(guān)公式計(jì)算得到,實(shí)測(cè)：在飛行中測(cè)定，從而得到更準(zhǔn)確的飛行載荷譜,如果需要測(cè)量飛機(jī)某處的過(guò)載，就將過(guò)載表裝載該處；如要測(cè)全機(jī)的過(guò)載，則將過(guò)載表裝在飛機(jī)重心處。,第26頁(yè)/共34頁(yè),28,二、理論過(guò)載最大值,n,L,max,過(guò)載的定義：所有,表面力的合力,與,飛機(jī)重量,G,之比,根據(jù)過(guò)載定義有:,式中,H,飛行高度,H,上的空氣密度；,S,機(jī)翼面積；,C,y,全機(jī)升力系數(shù)；,q,=,H,V,2,/2,動(dòng)壓（速壓）;,p,=G/S,翼載荷，為飛機(jī)總體設(shè)計(jì)時(shí)確定的飛機(jī)主要參數(shù)之一。,Y=nG,從空氣動(dòng)力學(xué)知升力,

15、Y,為,由上式得,在某一瞬時(shí),G,不變,，,n,max,對(duì)應(yīng),Y,max,，,而,Y,max,可能對(duì)應(yīng),C,ymax,及,q,max,。,例如飛機(jī)以最大動(dòng)壓,q,max,飛行時(shí)，突然改變迎角使升力系數(shù)達(dá)到最大值,C,ymax,，,此時(shí),n,max,為,第27頁(yè)/共34頁(yè),29,限制飛機(jī)最大使用過(guò)載值的因素,：,飛機(jī)最大過(guò)載值影響飛機(jī)的飛行戰(zhàn)斗,性能和飛機(jī)結(jié)構(gòu)的受力、設(shè)備工作條件、人員承受能力等。,在飛機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)不同類型的飛機(jī)的最大過(guò)載值都有明確規(guī)定。過(guò)載與結(jié)構(gòu)載荷密切聯(lián)系，可確保,n,y,max,G=Constant,。,過(guò)載隨飛行速度增大而急劇增加；,在中高空飛行時(shí)，由于空氣密度降低，

16、使飛機(jī)的最大升力下降，故隨飛行高度增高而減小。,三、影響最大使用過(guò)載的因素,過(guò)載,n,y max,隨,Ma,數(shù)變化曲線,第28頁(yè)/共34頁(yè),30,人體能夠承受過(guò)載的大小是有方向性的：,在胸到背、背到胸的方向，駕駛員忍受的過(guò)載最強(qiáng)；,在足至頭的方向，忍受的過(guò)載的能力最弱,飛機(jī)的負(fù)過(guò)載最底。（見(jiàn)下圖）,人員的生理是最大過(guò)載的主要限制因素之一,人員所能承受的過(guò)載值,第29頁(yè)/共34頁(yè),31,飛機(jī)的過(guò)載是最重要的原始參數(shù)之一，是表征飛機(jī)機(jī)動(dòng)性的重要參數(shù),。過(guò)載的大小應(yīng)根據(jù)飛機(jī)的用途確定。,各國(guó)規(guī)范都根據(jù)實(shí)際情況按飛機(jī)分類規(guī)定其過(guò)載的大小。,飛機(jī)分類,n,y,(俄羅斯),n,y,(,美國(guó)),全特技類機(jī)動(dòng)飛機(jī),(殲擊機(jī)、強(qiáng)擊機(jī)、教練機(jī)等),n,ymax,6,n,y,=-38,半特技類部分機(jī)動(dòng)飛機(jī),(戰(zhàn)術(shù)轟炸機(jī)、多用途飛機(jī)等),4,n,ymax,6,n,y,=-24,非特技類非機(jī)動(dòng)飛機(jī),(運(yùn)輸機(jī)、預(yù)警機(jī)等),2.5,n,ymax,4,n,y,=-13,四、最大使用過(guò)載的確定,第30頁(yè)/共34頁(yè),32,總 結(jié),表面力與質(zhì)量力的概念,飛機(jī)平移運(yùn)動(dòng)時(shí)的平衡方程,過(guò)載的概念（包括定義、物理意義、確定和實(shí)際應(yīng)