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1、第2章 飞机的外载荷,2.1 飞机结构上的主要载荷 2.2 不同飞行条件下的过载 2.3 其它载荷情况 2.4 疲劳载荷 2.5 飞机设计规范简介,2.1 飞机结构上的主要载荷,飞机在飞行、起飞、着陆、地面维护等使用过程中，作用在飞机上的外力称为飞机的外载荷 (1)飞行时的外载荷。 (2)起飞、着陆时的外载荷。,机体坐标系,速度坐标系,1、质量力Rf 与飞机的质量和加速度有关的力，如：重力G；惯性力Nx等,2、表面力Rm 由物体之间直接接触作用而产生的作用在飞机表面上的力，如：气动力Y、Yt；发动机推力T；地面支反力等,载荷分类,2.1.1 过载的概念,定义：飞机所受除重力之外的表面力总和与飞
2、机重量之比称为过载系数n，简称过载,过载系数可正，可负；与坐标轴方向一致为正，反之为负,习惯上将过载系数称为过载；平时所说的过载是指ny，一般地nx和nz均很小，且x方向的强度、刚度一般较好,2.1.2 过载与加速度的关系,1、过载系数表示了作用于飞机重心处(坐标原点)飞机所受的实际外力与飞机重力的关系。,2、飞机的过载来源于加速度。如果飞行加速度为0，则 =1,过载的物理意义：,就Y方向而言，过载系数又表示了飞机实际的质量力情况 ny=质量力/G 质量力与飞机所受的外力大小相等，但方向相反（它们是平衡力系） 因此，如以质量力来决定过载的方向，就应该是与飞机坐标轴正方向相反为正，反之为负,知道
3、了过载系数nyP=nyG（CG处）各点Psj，Psj=nyGj 它是飞机设计中很重要的一个原始参数，与飞行状态机动性密切相关 ny可由过载表测量获得,过载系数的实用意义,2.2 不同飞行条件下的过载,2.2.1 水平面内的定常直线飞行 2.2.2 垂直平面内的曲线飞行 2.2.3 水平面内的曲线飞行(正常布局) 2.2.4 最大过载ny max 2.2.5 非质心处质量的过载 2.2.6 突风过载 2.2.7 着陆过载,2.2.1 水平面内的匀速直线飞行,图2.2 匀速水平飞行,Fx=0 T=X,Fy=0 Y=G,等速平直倒飞：ny= -1,2.2.2 垂直平面内的曲线飞行,进入俯冲,Fx=0
4、,Fy=0,俯冲后拉起,Fy=0,当=0时,nymax,2.2.3 水平面内的曲线飞行(正常布局),如知道,Fn=0,Fv=0,如果用过载仪测出ny，也就知道，,如知道V和R：,2.2.4 最大过载ny max,p=G/S,1.2,0.4,Cymax,M,H,V,Vmax,最大过载nmax的选取与飞机性能、设备性能和人的生理机能等均有关,nmax愈大，机动性愈好；但nmax增大使结构受力增大，结构重量也增加，反过来又影响整个飞机的性能,nmax，各种设备的惯性力，而很多设备对惯性力的承受也有限度，nmax对设备的要求也相应提高,人对nmax的承受能力也有限,图2.4 飞行员承受过载的能力与过载
5、方向和时间的关系,图2.5 抗过载服系统 1-发动机引来的压缩空气;2-气滤;3-调压器;4-通信号灯;胶囊,图2.6高过载座舱内的座椅 1-可倾斜座椅;2-后撑弹簧筒,综合考虑这些因素，飞机设计中一般选取： 一类飞机：如歼击机、强击机，ny=-39 二类飞机：可部分完成机动飞行：如战术轰炸机、多用途飞机，ny=-24 三类飞机：不作机动飞行的飞机：如战略轰炸机、运输机，ny=-13,2.2.5 非质心处质量的过载,图2.7与飞机质心不重合的各点上的过载,注意：较长的装载物（发动机、油箱、鱼雷、导弹等） Wz引起一个附加的惯性力矩：,例子 已知：飞机俯冲攻击并沿圆弧线拉起，已知V=1000km
6、/h，R=1000m 求：=45，0时ny各为多少？如限制ny8，则R应为多大？,当：=45,=0,如限制ny8，则,例：飞机以过载ny=-3作曲线飞行，同时使飞机重心以角加速度z=3.92rad/s2转动，转动方向如图所示。若发动机重量GE=1000kg，其重心到全机重心距离L=3m，发动机绕本身重心的质量惯性矩Izo=120kgs2m，求： 1、发动机重心处过载系数nyE 2、若发动机悬挂在两个接头上，主接头位于发动机重心处，后接头距发动机重心为0.8m，求此时发动机作用于机身结构接头上的质量载荷,解： nyE=ny+L/g=-3+(-3.92)*(-3)/9.8 =-3+3.92*3/9
7、.8=-1.8 前接头：F前=nyEGE=-1.8*1000 =-1800kg （向下） 后接头：F后=M/0.8=IZ0Z/0.8 =120*3.92/0.8=627.2kg （向上）,2.2.6 突风过载,水平突风WV(0.15)，引起的水平方向过载可以忽略不计(不大于1.31.5) 垂直突风引起攻角变化，,图2.8 垂直突风速度为W时飞机飞行攻角的改变,突风还可能引起振动，特别是在重型飞机上引起周期性的载荷（甚至共振）,突风作用时间,考虑突风作用时间，引入突风衰减因子K，K1,2.2.7 着陆过载,Fy=0,对起落架的过载定义：Pld/Pst,一般情况下，起落架着陆时的最大过载ny可达3
8、4。飞机在地面的运动情况是多种多样的，因而，不但有ny，也还会出现nx(如前方撞击、刹车)以及nz(如侧滑着陆等),2.3 其它载荷情况,2.3.1热载荷 2.3.2 噪音(声振)载荷 2.3.3 瞬时响应载荷 2.3.4 特殊情况的载荷,2.3.1热载荷,）动力装置 ）气动加热 飞机表面的驻点温度： T = TH(1+0.2M2),T(K),M,H(km) 0 11,1,200,600,）太阳的直接辐射和反射辐射,问题：,1)高温使结构材料的强度和刚度降低 不同结构材料在不同的高度飞行时，考虑温度影响，长时间飞行的极限速度不同 LY12 构件失稳、疲劳 材料性能变坏 ）受热材料处于长期受力状
9、态，还将发生蠕变，产生永久变形 ）热疲劳问题,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12,M,t(oC),100,370,760,不锈钢,钛合金,LY-12,0 15 30 45 60,高度（km）,2.3.2 噪音(声振)载荷,来源：动力装置 空气动力 武器发射 问题：声疲劳,图2.10 某发动机喷口附近的声压情况,2.3.3瞬时响应载荷,来源：核武器爆炸、空中机轮制动、起飞助推、外挂物投放、弹射等,2.3.4 特殊情况的载荷,非正常状态的载荷：发动机停机、尾旋、单轮着陆、打地转、机头碰地、飞机翻倒、因故障强迫着陆等 要求继续飞行并返回，在地面尽量减少对人员的伤害，尽量减少对飞机通
10、道出口的阻塞 鸟撞载荷：2000m以下以最大飞行速度飞行时，1.8kg的鸟不穿透 冰雹载荷：结冰破坏气动外形，影响性能；对结构和发动机产生破坏,2.4 疲劳载荷,疲劳破坏在远小于材料的原有静强度情况下就可能发生，因而更具有危险性。 疲劳载荷还将引起设备工作不正常，并导致破坏，使机上人员感到难受 载荷的作用顺序对材料的损伤有影响 因此，在疲劳强度分析中需确定结构中所承受的载荷随时间变化的历程载荷谱（spectrum）,疲劳载荷来源,突风重复载荷（gust）： 突风W产生一个攻角增量ny 突风来源于大气环境，现已有规范给出了大气环境的统计值 突风载荷是运输机类飞机的主要疲劳载荷 机动重复载荷：是战
11、斗机类飞机的主要疲劳载荷，由飞机的机动飞行产生（盘旋、俯冲退出等）,疲劳载荷来源,着陆撞击重复载荷 飞机着陆时有一接地速度，使起落架减振受到一撞击而产生振动，导致重复载荷的产生 着陆撞击载荷对机体的疲劳损伤影响极小，但对起落架有较大影响 地面滑行重复载荷 与跑道的粗糙度有关，对不同类型的跑道已有统计结果 对飞机机体影响极小，主要用于构成地空地循环,疲劳载荷来源,地空地循环载荷 气密舱的地空地由压差引起,图2.11 一次飞行所受到的载荷时间历程示意图,疲劳载荷谱类型,图2.12常幅载荷谱,图2.13 程序块谱,随机谱：将实测核分析得到的载荷按结构服役过程中的受载特点进行随机编排,2.5 飞机设计
12、规范简介,飞机设计所有基本依据: 强度规范 刚度规范 飞机试验规范 适航性规范 ,强度规范：规定了飞机总的强度水平，各主要部件、构件上的外载荷以及对他们进行强度试验时的加载条件 具体内容： 1）极限使用载荷nemax，nemin ，qmax ， qmin 2）主要部件的最大使用载荷 3）安全系数f Pd/Pe,f的选取原则： 保证结构在使用载荷作用下不产生永久性变形 合理分配f值，使结构尽可能地轻 对不同的载荷、材料、工艺，选取不同的f值,f的选取原则（续）,对一般铝合金，b/n=1.5，f=1.5 对复合材料，不可避免地带有缺陷，附加系数1.25，f=1.51.25 对经常重复作用且时间长的
13、载荷，f=1.51.32.0 对经常重复作用但时间短的载荷，f=1.5（1.11.2）=1.651.80 对重要件接头（应力分布复杂），附加系数1.25 对机翼，可参见下表,设计情况的选取 飞机在飞行过程中所受的载荷是多种多样的，在飞机设计过程中如果对每种情况都加予分析的话，那就太复杂了 从原则上讲，凡是使结构易遭破坏、人员易受到损伤的载荷情况，都应选作设计情况 设计规范对全机和各主要部件的设计情况作了规定，对全机而言，将这些设计情况反映在飞机包线上,图2.14对称机动飞行包线,“情况A”小速度，大攻角，大过载（平飞拉起） “情况A”大速度，小攻角，大过载（急剧退出俯冲） “情况B”高速，小攻
14、角，曲线飞行（下滑转弯） “情况C”q=qmax，副翼偏转（垂直俯冲 “情况D”小速度，大负攻角，ny=nmin “情况D”大速度，小负攻角，ny=nmin,机翼的设计情况及其对应的飞行轨迹,各种受载情况下气动载荷的弦向分布,机动包线 MD-82,突风包线 MD-82,刚度规范：规定了飞机部件允许的弯曲和扭转变形，气动弹性的临界速度 在使用载荷下引起的弹性变形、永久变形及热应变的总和以及实际存在的机械间隙等不得妨碍飞机操纵系统的运动或降低飞机操纵的灵敏度，不能影响飞机飞行性能品质要求，不得引起颤振等气动弹性及空气热弹性的不稳定，不应发生抖振或共振等,飞机适航性的指标：大气条件、机场条件；对出现故障、差错及其后果影响的限制，故障飞行的性能要求，应由的飞行包线规定，飞行品质、操纵品质规定，防火、防腐指标，驾驶舱及视界的规定，警告装置要求，仪表、电气、特种设备的适航指标，迫降时的安全指标，救生要求以及动力装置的适航指标,飞机试验规范：静力、动力学和试飞试验,使用载荷试验：使用载荷下，变形不影响气动特性和机构运动，无有害残余变形 设计载荷试验：不总体破坏 破坏试验：实际承载能力 动力学试验：动载荷下的结构强度 飞行试验：综合飞行性能 ,