飞机结构设计-3.2.pptVIP

3.2 气动弹性及刚度设计 * 3.2.1 飞机结构的刚度要求 * 3.2.2 飞机结构的气动弹性设计 * 3.2 小 结 * 刚度与气动弹性问题： 是指飞机结构中的翼面部件由于结构刚度不足或刚度分配不合理而导致气动力结构变形相互耦合作用，从而产生复杂效应，甚至导致结构破坏的一类问题。 3.2.1 飞机结构的刚度要求与刚度设计 主导思想：受飞机布局设计所确定的气动特性（升阻特 性、力矩特性）及飞行性能要求，必须使飞 机的刚度条件满足飞行总体技术性能；在气 流复杂作用下结构不允许由于刚度不足带来 的不安全或较大损伤积累的行为。 ? 飞机结构的各个构件实际都有刚度要求，只是与强度问题综合考虑时，对一些构件以强度或稳定性为主设计（在满足强度、稳定性的同时，刚度条件够了，飞机的主要受力构件：机翼的壁板、梁、加强肋等）； 1. 静刚度特性要求（变形量控制要求） ? 对一些构件（部位）以刚度设计为主（强度裕度很大，如飞机的舱门、大开口部位、操纵系统的支座、舵面的转轴以及机翼的总体挠度及总扭转角等形变量控制）。 ? 机翼盒段的抗扭刚度要满足不能使其在气流扰动下发生剖面扭转角扩大(发散)的可能； 2）静气动弹性问题对结构部件的刚度要求 ? 机翼盒段（副翼连接段）的抗扭刚度要满足不能使其在气流扰动下发生副翼失效或反效的可能。 3）动气动弹性问题对结构部件的刚度要求 ? 机尾翼及副翼受气流扰动条件下，在一定速度范围内不允许发生颤振发散（扰动激励下的一种振动方式）。 ? 飞机结构的进气道、操纵系统或某些结构部位（如平尾） 由发动机噪声振动源、紊流产生的涡流或激波脉动压力所引起的抖振（强迫振动）。 4）振动工作环境的结构部位，不应发生结构共振 飞机结构刚度设计的轶事 1903年Wright兄弟成动动力飞行的前九天，smithsonian 学院的Langley教授在Potomac河畔进行动力飞行失败了，机翼的扭转刚度过小所致。 飞机结构刚度设计的一般方法与步骤 ? 参照已往设计经验或统计数据，进行构件及连接设计；在此基础上，进行结构刚度在静力条件下的精细计算校核或实验验证； ? 以结构重量为目标，以刚度条件为约束，进行结构构件参数优化或构件布置（位置）优化设计； ? 结构部件在模拟连接条件下的固有频率和振动模态数值计算分析与实验； ? 结构部件在飞行包线上的气动弹性精确数值计算，确定颤振临界速度； ? 全机共振实验（扫频仪、激振点）； ? 试飞测试。 气动弹性问题： 由空气动力和结构弹性力相互作用（气动弹性还包含结构质量力）而引起飞机部件可能破坏或失效的各种典型问题，统称为气动弹性问题 3.2.2 飞机结构的气动弹性设计 气动弹性问题 机翼扭转扩大 副翼（或舵面）的操纵反效（或失效） 机翼、尾翼、机身的颤振 弹性力 质量力 气动力 1）飞机结构上的三种力、三个心 焦心 刚 心 质 心 2）静气动弹性与动气动弹性问题的区别 静气动弹性仅关心气动力（或由于扰动及着陆引起的气动力增 量）与升力面结构刚度（弹性力）之间的耦合作用，而不 考虑结构质量力在其中的作用。一般有两类： ? 机翼扭转扩大（形变发散）问题 （ S-37(金雕)、X-29） ? 副翼反效（操纵效能）问题 动气动弹性则关心气动力扰动激励作用下，由气动增量力、 结构刚度以及质量力三者交互作用时，能否产生自激振动 的发散（振幅扩大）。这种自激振动与飞机飞行速度相关， 因而是一个飞行性能与安全的问题。 静气动弹性问题的力学成因及设计措施 1）静气动弹性问题中的扭转扩大 亚音速中严重 ? 气流扰动(ΔY)绕刚心产生扭转力矩Mα=ΔYd ； （与飞行速度的平方成正比） ? 盒段弹性将提供反作用力矩抗衡该升力增量力矩 Mk，刚度较小，Mα Mk (扭角扩大，气动力矩 ， 变形发散); ? 超音速时焦点后移，在扰动作用下，扭转扩大 一般不会出现 ; ? 前掠机翼的扭转扩大比后掠翼尤为严重； ? 存在一个飞行的临界速度。 2）静气动弹性问题中副翼反效 ? 副翼偏转产生向上升力ΔYa（在刚心之后），这使结构 剖面低头扭转，导致结构剖面迎角降低;反过来这又产生 了向下的升力ΔYk,来抵消副翼偏转产生的升力； ? 可近似认为操纵力不变，显然也存在一个临界速度； ? 对大展弦比后掠翼，副翼连接段刚度问题较突出（扭转 刚度与展长成反比）。 3）静气动弹性的刚度设计措施 ? 提高升力面结构剖面的扭转刚度或刚心前移,对任何机翼 受重量约束不能无限制； ? 适当提高升力面结构剖面的抗弯刚度（不至于引起展向气 动力分布的额外变化，对后