1、飛機結構設計飛機結構設計主講教師：趙剛要主講教師：趙剛要2一、授課課時安排一、授課課時安排授課內容授課內容課時課時第一章、第一章、緒緒 論論 4 4第二章、飛機的外載荷第二章、飛機的外載荷6 6第三章、現代飛機設計基礎第三章、現代飛機設計基礎1010第四章、機翼、尾翼設計第四章、機翼、尾翼設計1212第五章、機身結構設計第五章、機身結構設計8 8飛機結構設計飛機結構設計3第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論1909年馮如第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論飛機的發展歷程：1903萊特兄弟制造的飛機二戰以前：活塞發動機特性：高度、速度、機 動、火力第一代：高亞音速或低 超

2、音速范圍， 武器和電子設 備較簡單代 表： F-86和Mig15第二代：飛機的武器和 電子設備有所 加強 代 表： F-4和Mig21第一章第一章 緒緒 論論飛機的發展歷程：第三代：高亞音速或低 超音速范圍， 武器和電子設 備較簡單代 表： F-16和Mig29ol飛機的發展歷程：第一章第一章 緒緒 論論第四代： 發動機在不開加 力時具有超音速 巡航的能力； 良好的隱身性能； 高敏捷性和機動 性特別是過失速 機動能力； 短距起落性能； 目視格斗、超視 距攻擊和對地攻 擊的能力； 高可靠性和維護 性；代 表： F-22第一章第一章 緒緒 論論1.1 飛機的研制過程 一、飛機的功用與對飛機的要求

3、1.功用：有效的戰斗武器（空戰、攔截、攻擊、偵察、 預警、運輸） 空中運輸設備（載荷、運貨、農林、賑災、救 護、勘察、運動） 2.要求：技、戰術性能指標能滿足所需完成的任務。第一章第一章 緒緒 論論 飛機的最大速度；升限；航程/最大作戰半徑；起、降滑跑距離；載重；機動性指標（加力性能，盤旋半徑，爬升性能，最大允許過載系數）；隱身；維護與保障性能；使用壽命；可靠性與安全性能。第一章第一章 緒緒 論論1）軍用飛機的技、戰術要求：）軍用飛機的技、戰術要求：軍機的技、戰術要求（例）第一章第一章 緒緒 論論最大起飛重量：19277 Kg最大使用過載：7G（持續）/ 10G瞬時最大飛行速度：2.0Ma最大

4、載彈量：7000 Kg作戰半徑：1600Km最大航程：3000Km最大升限：18000mJ10 戰機軍機的技、戰術要求（例）第一章第一章 緒緒 論論最大起飛重量：27216 Kg最大使用過載：9G（眼鏡蛇 機動）最大飛行速度：1.8Ma最大載彈量：7000 Kg作戰半徑：2170Km超音速巡航：1.5Ma實用升限：18000mF22 戰機隱身技術、超音速巡航、過失速機動、推隱身技術、超音速巡航、過失速機動、推力矢量控制、近距離起落和良好的維修性力矢量控制、近距離起落和良好的維修性軍用運輸機的技、戰術要求（例）第一章第一章 緒緒 論論最大起飛重量：265352 Kg巡航速度：0.77Ma（853

5、5m）最大載量：77292 Kg最大航程：4630KmC-17 空中霸王低空巡航速度：648Km/h大型、隱身技術、超音速大型、隱身技術、超音速2）民用飛機使用技術要求：）民用飛機使用技術要求： 有效載重；航程；安全性、可靠性、維修性、經濟性。第一章第一章 緒緒 論論大型、超音速、大航程大型、超音速、大航程最大起飛重量：560000 Kg巡航速度：0.89Ma最大載量：90800 Kg最大航程：15100KmA380升限：13100m3 3、飛機工作的最大特性：、飛機工作的最大特性：反復、長期使用。第一章第一章 緒緒 論論二、飛機的研制過程第一章第一章 緒緒 論論l4個階段 技術性能論證與制定

6、過程 飛機設計過程 飛機的試飛、定型過程 飛機制造過程總體設計結構設計詳細設計初步設計1. 技術性能論證與制定（頂層設計）過程依據：軍事戰略方針及戰術（戰略防御）要求； 商務策略，工、農業生產，賑災救護等要求；制定：主要性能指標； 主要使用條件；機載設備等。效能分析、 費效分析第一章第一章 緒緒 論論2.飛機設計過程 (1) 總體設計：氣動外形布局設計；飛行力學性能設計； 機載設備（包括燃油）布置等重量分布設計； 發動機選型設計；結構總體尺寸設計。 (2) 結構設計： 理論設計（打樣設計）； 強度、剛度設計； 細節設計； 工程繪圖。第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論結構設計的任務

7、：型號設計技術要求飛機三面圖總體布置圖外形圖使用方法規定的環境情況載荷情況結構設計基本要求第一章第一章 緒緒 論論合乎使用要求強度、剛度、疲勞、損傷容限品質合格工藝性好滿足重量機體結構為試制和批生產提供全套的圖樣和技術文件應當注意設計階段的規律：反復、循環、迭代、反饋；綜合性、權衡性第一章第一章 緒緒 論論3. 飛機制造過程設計圖紙技術資料工藝設計機械加工部件/全機裝配0批次24架全機強度、疲勞和損傷容限的驗證和試飛4. 飛機的試飛、定型過程 地面滑跑試驗；起、降性能試驗； 飛行包線中各飛行科目試飛試驗；第一章第一章 緒緒 論論有待結構的靜力及疲勞試驗完成后，沒問題才定型定型：三、飛機研制過程

8、概述 1、設計的內涵： 創造性的思維過程； 全面綜合的辨證過程(矛盾分析、抓主要矛盾) 設計的不唯一性； 設計的反復性； 設計的繼承性； 設計與科學實驗的關系。 第一章第一章 緒緒 論論2、飛機設計的主要階段： 總體設計階段； 飛機結構的打樣設計： 結構受力形式選擇、受力構件布置、開口布置、 分離面及其連接形式設計。 飛機結構的詳細設計 結構件連接設計、細節設計、工程制圖。第一章第一章 緒緒 論論 新機研制中結構設計的一般過程1）總體研制方案論證2）初步設計3）詳細設計4）試制與試驗5）試飛與設計定型6）小批生產與生產定型7）批量生產第一章第一章 緒緒 論論1.2 飛機結構設計的原始條件和設計

9、簡介 第一章第一章 緒緒 論論一、“結構” 與機構設計的含義：“結構” 能承受和傳遞載荷的系統即：受力結構由幾個到幾十個零件結合在一起構成相互之間沒有相對運動能承受指定的外載荷一定的強度、剛度、壽命、可靠性等二、飛機結構設計的原始條件 l使用方提出的戰技要求或使用技術要求l飛機三面圖及理論外形圖l飛機總體布置圖l重量指標分配及總重量l使用壽命要求l載荷和使用環境條件l維修性要求l生產條件和工藝性要求l其它有關設計準則、規范和標準 第一章第一章 緒緒 論論（1）結構設計的主要依據：1）飛機結構的外載特征以及對結構承載的要求l外載的形式(集中的、分布的、沖擊型的、周期型、熱的等)；l外載的歷程特征

10、(不同的飛行，載荷的變化規律)；l外載對結構的作用效應（抖振、顫振）；l結構承載的強度、剛度(靜、動、熱、整體的、局部的)要求；l結構壽命要求；損傷容限要求；經濟性要求(生產/維修成本)。第一章第一章 緒緒 論論（2）原始條件l各部件的相對位置以及相互間連接交點的位置（不能改動）；l零、構件之間在連接尺寸上的協調關系；l各構件間或構件與內部裝載間的位置、形狀協調；l部件或組件結構的外邊界一般與飛機的理論外形相協調；l其內部邊界可能需與某個內部裝載協調，也可能不需協調。 第一章第一章 緒緒 論論2）飛機結構的協調關系 環境條件：指氣象條件或周圍介質條件（溫度、濕度、腐 蝕、 有害介質等）。 起降

11、場所條件：水、陸兩棲；陸地：水泥、土跑道。 維修條件：外場維修；場站或基地維修。 第一章第一章 緒緒 論論3）結構的使用條件 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）； 加工能力（小量或大批量，加工精度與加工性能）； 裝配能力（裝配精度、裝配量大小）； 生產能力（產量）； 生產質量保障體系（技術與管理）。第一章第一章 緒緒 論論 4）生產條件三、結構設計過程l靜強度設計準則l剛度設計準則l熱強度設計準則l疲勞、耐久性設計準則l損傷容限設計準則l氣動彈性設計準則l動強度設計準則第一章第一章 緒緒 論論 1）必須遵循的設計準則 2）設計過程第一章第一章 緒緒 論論 進行初步

12、估算，或結合經驗，或參考原準機，或 根據以上的綜合，初步定出各結構的基本尺寸； 然后進行結構優化設計和結構方案的進一步比 較，最后確定基本尺寸 了解結構的使用條件、生產條件，以及總體設計 已基本確定的結構外形尺寸、主要部件初步確定 的結構型式和各種協調關系； 通過計算和試驗，確定外載荷的大小、分布、性 質； 進行部件的打樣設計。確定結構布局的可能方案 （包括結構型式和受力構件布置），進行比較，選 定后初步確定內部協調與裝配關系。 畫出結構詳細打樣圖，并進行細節設計第一章第一章 緒緒 論論 對結構進行強度計算，對關鍵部件進行初步疲勞、 耐久性和損傷容限分析。（不滿足則需修改設計） 進行零構件的詳

13、細設計，繪制全套生產圖紙和編制 相應的技術文件 根據設計之初所選定的結構設計準則，進行全機疲 勞壽命和損傷容限分析；或進行損傷容限、耐耐久 性分析，并確定全機的經濟壽命。進行可靠性分析， 給出結構使用壽命和檢查周期。 根據全機靜力、疲勞（或耐久性）和損傷容限試驗 及試制、試飛中發現的問題對設計作必要的修改第一章第一章 緒緒 論論近代飛機結構追求的目標：高結構效率（重量輕）高可靠性高壽命高維修性和低壽命費用實現高的效費比具體講結構設計應貫徹下列要求：1.3 飛機結構設計的基本要求一、基本要求2.結構完整性及最小重量要求1.空氣動力要求和設計一體化要求3.使用維修要求4.工藝要求5.經濟性要求第一

14、章第一章 緒緒 論論二、基本要求概述（約束條件，邊界條件） 第一章第一章 緒緒 論論保證構造外形滿足總體設計規定的外形準確度1.空氣動力要求和設計一體化要求空氣動力要求不容許機翼、尾翼與機身構造有過大變形保證飛機具有良好的氣動升力和阻力特性及具有良好的穩定性和操縱性第一章第一章 緒緒 論論隱身結構一體化1.空氣動力要求和設計一體化要求設計一體化翼身融合技術飛機發動機一體化飛控火控結構一體化第一章第一章 緒緒 論論2.結構完整性及最小重量要求是指關系到飛機安全使用、使用費用和功能的機體結構的強度、剛度、損傷容限及耐久性（或疲勞安全壽命）等飛機所要求的結構特性的總稱結構完整性：具有足夠的強度，不產

15、生不能容許的殘余變形具有足夠的剛度，或采取其他措施以避免出現不能容許的氣動彈性問題與振動問題具有足夠的壽命和損傷容限，以及高的可靠性結構在承受各種規定的載荷和環境條件第一章第一章 緒緒 論論結構的重量盡可能輕 最小重量要求第一章第一章 緒緒 論論3.使用維修要求提高飛機在使用中的安全可靠性和保障性目的有效地降低保障、使用成本軍機：保證飛機及時處于臨戰狀態，提高戰略完好性合理地布置分離面及各種開口結構內部安排必要性的檢查維修通道，增加結構的開敞性和可達性第一章第一章 緒緒 論論4.工藝要求良好的工藝性加工裝配合理精度性能前提5.經濟性要求飛機成本構成設計制造研制運營80%的成本在早期的設計階段已

16、經決定生產費用與使用費用、保障費用約占全壽命費用的85%左右 對軍機而言，成本不應當是第一要求，重量與性能是第一位的。 對民用客機，成本是第一要求。第一章第一章 緒緒 論論 技術要求與技術性能是互相聯系、互相制約的，有的甚至是相互矛盾的，應當在一個好的設計素質基礎上，把握主要矛盾，綜合考慮，權衡處理。 一般說，氣動性能、使用要求是“前提性”要求，氣動外形、結構與強、剛度設計技術是“前提”技術。三、飛機結構設計思想的演變發展五個階段第一章第一章 緒緒 論論2.靜強度和剛度設計階段1.靜強度設計階段3.強度、剛度、疲勞安全壽命設計階段4.強度、剛度、損傷容限和耐久性（經濟壽命）設計階段5.結構可靠

17、性設計試用階段三、飛機結構設計思想的演變發展四個階段1、靜強度設計階段 靜強度設計可追溯到18世紀伽利略時代，材料力學是伽利略時代破壞力學思維的延伸。 上個世紀2030年代，飛機業的發展形成了系統的設計原則。飛機結構設計的靜強度設計準則是一種極限載荷（破壞載荷即極限承載能力）設計準則，即： 第一章第一章 緒緒 論論edPfPduPPd或設計載荷dP使用載荷eP極限載荷uP安全系數f第一章第一章 緒緒 論論設計載荷=使用載荷安全系數，破壞載荷應大于等于結構設計載荷：2、靜、動強度設計階段 動強度設計問題是結構（特別是薄壁結構）受到沖擊干擾后，激勵振動導致的結構破壞問題（或稱氣動彈性問題），可導致

18、翼面振動發散、操縱面反效等問題。 設計準則可表現為： 第一章第一章 緒緒 論論3、 靜、動強度，疲勞安全壽命設計階段 50年代，飛機業受二戰的刺激，得到了迅速發展，但發生了始料未及的破壞現象，疲勞破壞。現代也發現噪音等環境也能引起疲勞破壞，當時飛機發展的幾點特征： 飛機的使用壽命延長了； 飛機的技、戰術性能提高了； 高強度材料的采用； 飛機結構強度儲備下降； 工業技術提高了生產率。第一章第一章 緒緒 論論 上述設計準則主要依靠試驗來保證，我國當前的一些飛機關鍵結構件仍依此設計。 現代軍機的使用壽命要求60008000飛行小時，民機3000060000飛行小時。fexsaenNNN/使用壽命eN安全壽命saN試驗壽命exN）分散系數（一般取 4fn第一章第一章 緒緒 論論經歷挫折與失敗后，設計師們發現需提出安全壽命要求4、靜、動強度，使用壽命，損傷容限和耐久性（包括 經濟壽命）設計階段安全使用壽命設計并不能絕對保證安全。發現破壞后的斷口，疲勞裂紋已經