飞机的外载荷-课件.ppt

1、第一章第一章 飞机的外载荷飞机的外载荷 飞机作为运载工具要求反复使用，可能经历各样的复杂飞机作为运载工具要求反复使用，可能经历各样的复杂载荷历程。最主要、最基本的有哪些？载荷历程。最主要、最基本的有哪些？对结构的影响作用对结构的影响作用是什么？这是设计师们关心的基本问题；其次是不同载荷形是什么？这是设计师们关心的基本问题；其次是不同载荷形态与主要载荷的差异以及这些载荷的变化规律（包括大气气态与主要载荷的差异以及这些载荷的变化规律（包括大气气象规律的统计）。象规律的统计）。1.1.思维要点：思维要点：主要载荷形式；主要载荷形式；主要载荷分类；主要载荷分类；作用于结作用于结构如何分析。构如何分析。

2、一一 作用在飞机上的外力作用在飞机上的外力1 1 载荷的参照坐标系：机体坐标系载荷的参照坐标系：机体坐标系2 2 基本载荷形态及分析基本载荷形态及分析 飞机的外载：飞机的外载：重力重力（G)、升力升力（Y)、阻力阻力（X）、推力推力（P）、起落架载荷。起落架载荷。惯性力：质量乘以加速度的负值惯性力：质量乘以加速度的负值质量力：飞机重力质量力：飞机重力G G（mgmg）和惯）和惯 性力性力N(-ma)N(-ma)均与飞机质均与飞机质 量量m m有关，故统称为质量力。有关，故统称为质量力。1 1 俯冲拉起俯冲拉起:对称面内作曲线机动飞行情况（纵向飞行）对称面内作曲线机动飞行情况（纵向飞行）飞机的升

3、力使飞机保持向心曲线运动。飞机的升力使飞机保持向心曲线运动。二二 典型飞行情况和过载典型飞行情况和过载 动平衡关系：（机体坐标系动平衡关系：（机体坐标系y y向）向）,表现了运动的变速特征（曲线运动）表现了运动的变速特征（曲线运动）即：即：升力等于升力等于G G乘上一个系数，乘上一个系数，该系数称为过载。该系数称为过载。grvGYrvgGGNGYy22coscoscosgrvGYny2cos1 1 俯冲拉起俯冲拉起分析该曲线运动中，分析该曲线运动中，的特性：的特性：与曲线航迹半径成反比，与切线运动速度的平方成与曲线航迹半径成反比，与切线运动速度的平方成正比，这表明：正比，这表明：若若 一定，一

4、定，v 一定，则运动半径就规定了；太小，则一定，则运动半径就规定了；太小，则结构承载发生问题；结构承载发生问题；若若 一定，一定，r 一定，则速度就要限制。一定，则速度就要限制。由此看来，对结构设计是一个重要的无量纲过载。由此看来，对结构设计是一个重要的无量纲过载。2max10oyvngrmaxynmaxynmaxyn1 1 俯冲拉起俯冲拉起2 过载的概念过载的概念u 过载定义过载定义：除质量力外，作用在飞机某方向上的所有：除质量力外，作用在飞机某方向上的所有外力的合力与当时飞机重量的比值，称为该方向上的过载。外力的合力与当时飞机重量的比值，称为该方向上的过载。Note：机体坐标系为正向；机体

5、坐标系为正向；过载是一矢量，分量用过载是一矢量，分量用nx、ny、nz表示。表示。表示了作用于飞机表示了作用于飞机重心处重心处的外力与飞机重力的外力与飞机重力 的比值关系；的比值关系；表示了飞机质量力（重力与惯性力均与质量有关，表示了飞机质量力（重力与惯性力均与质量有关，故统称为质量力）与重力的比率。故统称为质量力）与重力的比率。（应注意质量力与外力方向相反）（应注意质量力与外力方向相反）飞机的质量力应当是飞机的各部分质量力之和：飞机的质量力应当是飞机的各部分质量力之和：iiGnnG2 过载的概念过载的概念飞机中的某集中质量飞机中的某集中质量GI=mig，作用在结构上的质量力为：，作用在结构上

6、的质量力为：当飞机沿当飞机沿x方向有变速运动时，方向有变速运动时，x向惯性力：向惯性力：若俯冲拉起中的曲线运动中，切向是加速运动，则：若俯冲拉起中的曲线运动中，切向是加速运动，则：nz=0（飞机展向变速平移难）；（飞机展向变速平移难）；nz一般较小，在大机动飞一般较小，在大机动飞行中可能出现。行中可能出现。iyiyiiGnPnGP或分量dtdvgGmaNxsin1sin/)(dtdvgGGNGXTnxx2 过载的概念过载的概念 作为飞机结构设计时重要原始过载；作为飞机结构设计时重要原始过载；n 的大小实际反映了飞机的机动性能；的大小实际反映了飞机的机动性能；结合结合n 和已知的气动力分布，可获

7、得实际作用于结构和已知的气动力分布，可获得实际作用于结构上载荷的大小，从而进行设计与校验。上载荷的大小，从而进行设计与校验。可通过在飞机重心处安装加速度计来获取。可通过在飞机重心处安装加速度计来获取。2 过载的概念过载的概念 （可能为负，说明升力不总是正的）（可能为负，说明升力不总是正的）(外作用合力等于惯性力合力的负值外作用合力等于惯性力合力的负值)grvnrvgGGYy22coscosGGNGNGGXTnxxx)(coscos1cosyYGGYn64807500yn，（1 1）计算突风引起的升力变化）计算突风引起的升力变化:（2 2）计算过载）计算过载 SQCKYyyyCC0vu2021v

8、qHSuvKCSvvuKCYHyHy2210200puvKCGYYnHyy2100SGp 旋转旋转+平移平移 当平尾产生机动载荷时当平尾产生机动载荷时,飞机产生平移与旋转；飞机产生平移与旋转；该载荷克服了飞机原有的平飞状态该载荷克服了飞机原有的平飞状态,使飞机在上述两个运使飞机在上述两个运动中产生加速度。从动平衡角度动中产生加速度。从动平衡角度,平尾机动载荷与它克服平尾机动载荷与它克服的惯性力及力矩相平衡。的惯性力及力矩相平衡。.平移速度过载平移速度过载(质点质点)()(外载分析法外载分析法).绕中心转动的过载绕中心转动的过载(质量力分析法质量力分析法)iztmiiziiiiiiyyrxILY

9、gGxmGamGNn1 i表示转动轴线上的任意位置表示转动轴线上的任意位置 yrytynnnYtmyxiNiyNiyxGYGYGYGYntmtewyt 这里的过载定义与空中飞行情况不同。这里的过载定义与空中飞行情况不同。当空中匀速飞行时当空中匀速飞行时,ny=1 表示表示Y/G=1,地面滑行或停止态时地面滑行或停止态时,再以升力来定义已毫无意义再以升力来定义已毫无意义,应以地面的支撑载荷与重量之应以地面的支撑载荷与重量之比来定义比来定义,即即ny=1=Plg/G.i.这两种情况下的这两种情况下的ny=1,但飞机结构的承载方式却完全不同但飞机结构的承载方式却完全不同,匀速匀速平飞是一种分布载荷作

10、用平飞是一种分布载荷作用,而着陆主要是以集中力形式作用而着陆主要是以集中力形式作用于起落架上于起落架上,通过起落架作用于机身。通过起落架作用于机身。ii.工程上工程上,常称常称 平飞时平飞时ny=1为平飞的为平飞的1g；停机时停机时 ny=1 为停机的为停机的1g.u着陆时的过载着陆时的过载 着陆时载荷分析着陆时载荷分析:从着陆前到完全着陆瞬间从着陆前到完全着陆瞬间,飞机飞机y y向向 速度从速度从-V-Vy y减至零减至零,故此时的减速度为故此时的减速度为:所以，减速度所以，减速度a指向机体坐标系指向机体坐标系y y的正向，故此时的惯性力的正向，故此时的惯性力(作用于地面作用于地面)的方向是

11、向下的。的方向是向下的。由动平衡分析由动平衡分析:tvtvayy)(0lgytPGNYu着陆时的过载着陆时的过载 由着陆时的载荷由着陆时的载荷(地面给予的外载荷地面给予的外载荷)与重量之比与重量之比 的过载定义的过载定义,即设即设:这个过载不允许过大这个过载不允许过大,一般一般ny=3-4(因为与飞行时对结构因为与飞行时对结构与人的作用不同与人的作用不同)着陆或滑时的情况多样着陆或滑时的情况多样,还可能发生还可能发生nx,或或nz.lglgytyoPGNYnPGu着陆时的过载着陆时的过载 4 4 影响选择最大过载的因素影响选择最大过载的因素:i.i.过载实际反映了飞机的机动性能过载实际反映了飞

12、机的机动性能,因此越大越好因此越大越好,但对运但对运输机或客机则没有太大必要。输机或客机则没有太大必要。.过载又反映了对结构的载荷作用过载又反映了对结构的载荷作用,过载越大过载越大,表明飞机表明飞机结构的承载越大结构的承载越大,要有足够的刚、强度，则结构重量大。要有足够的刚、强度，则结构重量大。.过载的载荷作用，不仅对结构有作用，而且对机载设备过载的载荷作用，不仅对结构有作用，而且对机载设备及乘员有载荷作用。过载越大，对他们的作用越强，要及乘员有载荷作用。过载越大，对他们的作用越强，要视他们的承受能力而定。视他们的承受能力而定。.飞行时的过载（除突风干扰外），一般来自于发动机的飞行时的过载（除

13、突风干扰外），一般来自于发动机的推力，过载大，结构要重，发动机的加力性能要好，即推力，过载大，结构要重，发动机的加力性能要好，即剩余推力要大。剩余推力要大。.过载的选择影响因素众多，要依据技术性能要求综合确过载的选择影响因素众多，要依据技术性能要求综合确定定,并不是越大越好。并不是越大越好。人对过载的反映：人对过载的反映：人在短时间承受较大过载尚可，特别是正过载。较长时间人在短时间承受较大过载尚可，特别是正过载。较长时间承受过载能力很差，特别是负过载。承受过载能力很差，特别是负过载。战斗机的过载一般为战斗机的过载一般为-3-38;8;民机则无必要。民机则无必要。提高人抗过载的能力：抗过载服。提

14、高人抗过载的能力：抗过载服。规范中的过载系数可供选择规范中的过载系数可供选择(飞行包线上给定）。飞行包线上给定）。4 4 三三 飞行包线、安全系数、设计载荷飞行包线、安全系数、设计载荷 1 指定设计规范的意义：对飞机设计和研制给出全面要指定设计规范的意义：对飞机设计和研制给出全面要 求的指令性技术文件，是飞机设计员的工作依据求的指令性技术文件，是飞机设计员的工作依据.政府与权威研究机构组织制定，也可与设计主管部门政府与权威研究机构组织制定，也可与设计主管部门 共同制定。共同制定。设计规范不是统一的，而是针对不同的飞机类型制定设计规范不是统一的，而是针对不同的飞机类型制定 不同的设计规范，因为飞

15、机的任务与技战术要求不同。不同的设计规范，因为飞机的任务与技战术要求不同。设计规范与设计手册是飞机设计人员的基本工具。设计规范与设计手册是飞机设计人员的基本工具。2 2 飞机的分类及其相应的过载（结构设计规范）飞机的分类及其相应的过载（结构设计规范）按用途分：按用途分：歼击机（歼击机（J J）；强击机（）；强击机（Q Q）；歼击教练机（）；歼击教练机（JJJJ）多用途机（多用途机（DYDY）；教练机（）；教练机（JLJL）；轰炸机（）；轰炸机（H H）大型运输机（大型运输机（YHYH）用机动性分用机动性分 机动类（歼击机，强击机及相应的教练机）机动类（歼击机，强击机及相应的教练机）ny=-3-

16、8ny=-3-8 半机动类（战术轰炸机，多用途飞机）半机动类（战术轰炸机，多用途飞机）ny=-2-4ny=-2-4、非机动类（战略轰炸机，运输机）非机动类（战略轰炸机，运输机）ny=-1-3ny=-1-33 3 飞行包线及设计情况飞行包线及设计情况 设计情况具有代表性的最严重的各种飞机载荷情况。使飞机结构易遭到破设计情况具有代表性的最严重的各种飞机载荷情况。使飞机结构易遭到破坏、人员设备易受损伤的载荷情况都应入选坏、人员设备易受损伤的载荷情况都应入选.最大的正向和反向载荷情况最大的正向和反向载荷情况;对主要结构件将产生危险损坏的载荷情况对主要结构件将产生危险损坏的载荷情况;对飞行战术技术性能将

17、产生严重影响的载荷情况对飞行战术技术性能将产生严重影响的载荷情况;对人员将产生损伤的载荷情况对人员将产生损伤的载荷情况;总载不大，但载荷作用的具体情况特殊，影响严重也应作为设计情况考虑总载不大，但载荷作用的具体情况特殊，影响严重也应作为设计情况考虑;对称机动飞行包线的对称机动飞行包线的A,B,D,EA,B,D,E情况情况;非对称机动中的滚转机动、滚转改出非对称机动中的滚转机动、滚转改出;对称着陆情况、偏航着陆、单个起落架着陆情况等。对称着陆情况、偏航着陆、单个起落架着陆情况等。3 3 飞行包线及设计情况飞行包线及设计情况 i.依据飞机飞行性能、操纵性、稳定性以及技战术要求，结构强度依据飞机飞行

18、性能、操纵性、稳定性以及技战术要求，结构强度要求等综合确定的飞机飞行极限（要求等综合确定的飞机飞行极限（nyvdl图）。图）。ii.典型飞行状况的飞行包线典型飞行状况的飞行包线 .典型飞行载荷工况：典型飞行载荷工况：a)对称机动飞行下的使用载荷；对称机动飞行下的使用载荷；b)急剧俯仰机动；急剧俯仰机动；c)襟翼放下拉起状态；襟翼放下拉起状态；d)滚转与滚转改出机动等。滚转与滚转改出机动等。4 4 安全系数安全系数i.i.安全系数是静强度安全设计的主要解决方法。安全系数是静强度安全设计的主要解决方法。使用载荷：飞机在使用中预计各构件可能遇到的最大载荷使用载荷：飞机在使用中预计各构件可能遇到的最大

19、载荷 设计载荷：使用载荷乘以安全系数安全系数取法设计载荷：使用载荷乘以安全系数安全系数取法凡在规范中未作特殊说明之处，安全系数均为凡在规范中未作特殊说明之处，安全系数均为1.51.5；当载荷的性质、大小和分布不能准确确定时，安全系数增大当载荷的性质、大小和分布不能准确确定时，安全系数增大到到1.651.65、2 2或更大；或更大；对于主要的接头和耳片，由于特殊重要性，在上述安全系数对于主要的接头和耳片，由于特殊重要性，在上述安全系数基础上，尚应乘以附加安全系数基础上，尚应乘以附加安全系数1.251.25ii.ii.静强度设计准则：静强度设计准则：edeedPGnGfnfPP eePPededP

20、Pnnf iii.iii.使用设计载荷的原因使用设计载荷的原因a)a)保证结构安全；保证结构安全；b)b)反映静不定结构的承载能力，充分发挥静不定结构的承载反映静不定结构的承载能力，充分发挥静不定结构的承载 能力，可使结构设计得更轻；能力，可使结构设计得更轻；c)c)便于与破坏载荷的理论设计实验验证；便于与破坏载荷的理论设计实验验证；d)fd)f值选取的影响因素；值选取的影响因素；e)e)设计要求（结构不能有影响功能的永久变形，强度裕度）；设计要求（结构不能有影响功能的永久变形，强度裕度）；f)f)材料应力应变特征材料应力应变特征(控制在一定应力水平和应变条件下）；控制在一定应力水平和应变条件

21、下）；g)g)工艺制造水平；工艺制造水平；h)h)计算、试验误差（粗糙、准确程度）。计算、试验误差（粗糙、准确程度）。4 4 安全系数安全系数四四 飞机疲劳载荷谱飞机疲劳载荷谱 飞机是一种反复使用的运载工具或作战武器。服役期飞机是一种反复使用的运载工具或作战武器。服役期内会遇到各种载荷。内会遇到各种载荷。设计中，不仅应掌握典型设计状态中的极限载荷及其设计中，不仅应掌握典型设计状态中的极限载荷及其对结构作用的分析方法，（以作为飞机结构极限能力的对结构作用的分析方法，（以作为飞机结构极限能力的设计依据）；还应把握这些载荷的变化规律，作用次数设计依据）；还应把握这些载荷的变化规律，作用次数等统计规律

22、，因为这些虽未达到极限状态，但长期作用等统计规律，因为这些虽未达到极限状态，但长期作用仍对结构有破坏作用，这就是通常所说的疲劳载荷（确仍对结构有破坏作用，这就是通常所说的疲劳载荷（确定载荷随时间的变化历程）。定载荷随时间的变化历程）。1 1 飞机遇到载荷长期反复变化地作用，这种作用会导致结构的飞机遇到载荷长期反复变化地作用，这种作用会导致结构的“疲疲劳劳”破坏，因此这种载荷历程一般称为破坏，因此这种载荷历程一般称为“疲劳疲劳”载荷。结构疲劳载荷。结构疲劳导致缺陷生长成裂纹并不断发展，最终导致断裂。导致缺陷生长成裂纹并不断发展，最终导致断裂。类类 型：型：大气紊流的作用，是民机、运输机的重要疲劳

23、大气紊流的作用，是民机、运输机的重要疲劳 载荷，大气紊流的强度以及作用的次数统计；载荷，大气紊流的强度以及作用的次数统计；飞机机动（变速）飞行中升力变化载荷，是军机的飞机机动（变速）飞行中升力变化载荷，是军机的 主要疲劳载荷，机动飞行的种类主要疲劳载荷，机动飞行的种类,飞行次数等；飞行次数等；气密压舱一个飞行起落中，压力的变化，增压载气密压舱一个飞行起落中，压力的变化，增压载 荷的变化规律，作用次数等统计；荷的变化规律，作用次数等统计；一个起落一次撞击，撞击载荷的强度；一个起落一次撞击，撞击载荷的强度；指地面滑行飞机颠簸所受到的载荷，与指地面滑行飞机颠簸所受到的载荷，与飞机跑道的质量、飞机的重

24、量等有关；飞机跑道的质量、飞机的重量等有关；飞行地面滑行时的飞行地面滑行时的1g1g载荷变化到空载荷变化到空中飞行的中飞行的1g1g载荷，这种均值载荷的变化也是疲劳载荷；载荷，这种均值载荷的变化也是疲劳载荷；：机翼尾流对尾翼的周期性作用：机翼尾流对尾翼的周期性作用tp1 1 疲劳载荷破坏的一般特点疲劳载荷破坏的一般特点多次反复载荷作用下产生的破坏；多次反复载荷作用下产生的破坏；低应力脆断；低应力脆断；疲劳破坏对材料特性、构件的形状、尺寸、表面状态、使疲劳破坏对材料特性、构件的形状、尺寸、表面状态、使用条件、外载环境等都十分敏感；用条件、外载环境等都十分敏感；疲劳破坏具有局部性，而不涉及到整个结

25、构的所有构件。疲劳破坏具有局部性，而不涉及到整个结构的所有构件。1 1 疲劳载荷是飞机设计中最重要的考虑因素，是定寿的基本疲劳载荷是飞机设计中最重要的考虑因素，是定寿的基本依据。依据。载荷谱的谱型载荷谱的谱型 1 1）等幅谱）等幅谱 2 2）程序块谱）程序块谱 3 3）飞续飞谱（典型任务剖面谱、任务段任务段谱、）飞续飞谱（典型任务剖面谱、任务段任务段谱、基本机动飞行谱）基本机动飞行谱）载荷的时间历程分类载荷的时间历程分类 1 1）单机载荷时间历程，主要用于单机寿命监控。）单机载荷时间历程，主要用于单机寿命监控。2 2）机群载荷谱（设计使用载荷谱用于新设计飞机的研制）机群载荷谱（设计使用载荷谱用

26、于新设计飞机的研制阶段基准使用载荷谱用于该飞机的服役使用寿命）阶段基准使用载荷谱用于该飞机的服役使用寿命）根据飞机用途和寿命要求，利用一定的子样数据经统根据飞机用途和寿命要求，利用一定的子样数据经统计分析确定飞机在整个寿命期内所经历的载荷的总体情况，计分析确定飞机在整个寿命期内所经历的载荷的总体情况，称飞机总谱的统计代表。称飞机总谱的统计代表。3 3 疲劳载荷谱的编制疲劳载荷谱的编制 飞机总谱的飞机总谱的统计统计代表代表飞续飞谱飞续飞谱1）飞机重心法向）飞机重心法向过载超越数曲线过载超越数曲线2）飞机的典型载）飞机的典型载荷状态荷状态构成构成1）确定典型任务剖面）确定典型任务剖面2）任务段载荷

27、谱）任务段载荷谱3）确定典型载荷状态）确定典型载荷状态4）编制结构疲劳载荷谱）编制结构疲劳载荷谱编制步骤编制步骤1）飞行模拟）飞行模拟2）统计比较分析）统计比较分析3）飞行实测）飞行实测技术途径技术途径1）离散化处理）离散化处理2）雨流法）雨流法处理方法处理方法1）高载截取）高载截取2）低载截除）低载截除3）离散分级）离散分级4）频数确定）频数确定5）峰谷值配对）峰谷值配对形成形成小子样推断母小子样推断母体统计特性体统计特性实质实质是对一个复杂的随机事件（所有飞机的载荷的时间历程），用小子样推断母体的统计特性的过程。该曲线表示典型使用的飞机在整个使用寿命期内飞机重心法向过载的峰值和谷值可能超过

28、某一指定值的总次数。显然，包线反映了子样以外的可能情况。曲线与坐标轴之间的面积反映了飞机载荷谱的严重程度，是飞机技术性能和水平的重要代表之一。代表了飞机所有疲劳关键结构可能经历的瞬间飞行状态，将用来确定飞机瞬时的载荷分布。根据使用要求、飞行训练大纲、飞机性能和技术要求给出。同时要给出典型任务使用的百分比、飞行次数和每次飞行时间、任务段的顺序和各段持续时间。各种载荷谱一般以飞机重心过载谱的形式给出，要尽可能的反映飞机所经历的实际载荷。确定典型载荷状态与飞行参数（高度、速度和过载等）的关系，一般采用多元统计分析。一般采用设计使用寿命的5%-10%作为一个基本快，在基本块内按不同要求编制飞-续-飞随

29、机谱，由基本块载荷谱的不断重复得到整个使用寿命的疲劳载荷谱。1）飞行模拟与统计相结合；2）以类似飞机的载荷数据为基础，利用统计方法得到新飞机的飞行载荷谱；3）实测真实载荷，然后统计分析。瞬间较大载荷会引起较大损伤以及超载的迟滞效应，一般取飞行1000小时内超越数为10次载荷作为最高级载荷。提高疲劳、损伤容限试验和计算效率；一般取每1000飞行小时超越数为10的5次方数量基；最低级等损伤折算。采用等间距或不等间距方法离散，构成若干级峰值和峰谷值水平，一般间距取最大载荷的10确定。根据离散化的台阶曲线确定各级过载的发生数。概率配对法，该方法综合考虑了各级峰值和谷值出现的概率，构成能够统计代表机群母体可能经历的载荷循环。假定一个大循环变形所引起的损伤不因在大循环中有一个小的迟滞回线将其截断而影响损伤的大小。