运十飞机结构分析.docx

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运十飞机结构分析

飞行器结构设计大作业

运十飞机的机翼/中央翼及机身设计

航空学院01010703班

顾天元学号2007302672

巨龙学号2007300184

乔燕涛学号2007300186

马军学号2007300185

2010年6月29日

运十飞机的机翼/中央翼及机身设计

前言——有关运十飞机

运十是由上海市640研究所设计、上海飞机制造厂制造的四发动机喷气式运输机，运十飞机是中国首次自行设计、自行制造的大型喷气客机。

运十的设计很大程度上参考了美国波音公司的波音707。

运十飞机的试飞成功，填补了中国航空工业的一项空白，是一项重大科技成果。

运十计划采用涡扇-8发动机，飞机最大起飞重量110吨，最大巡航速度974公里/小时，最大实用航程8000公里。

客舱按全旅游、混合、全经济三级布置，可分别载客124、149、178人。

运十只制成两架，由于各种原因最终没有投产。

运十运输机-设计特点：

1.有较好的安全性；2.有较好的速度特性；3.有较好的经济性；4.有较好的机场适应性；5.有较大的使用伸缩性；6.有较大的发展潜力。

运十飞机虽然由于各种原因最终没有投入航线使用，但它在当时的历史条件下，却能取得如此丰硕的成果是很不容易的。

因此，研制运十飞机的历史作用是不能低估的，它是我国民机发展的成功的起点。

有关运十的一些数据：

1、几何数据

翼展L：

42.24m机长：

42.93m

机高：

13.42m机翼面积S：

244.46㎡

2、重量数据

最大起飞重量：

110吨最大着陆重量：

83吨

使用空重：

58吨最大载油重：

51吨

最大商载：

25吨

3、飞行性能数据（使用四台JT3D发动机）

最大巡航速度：

974km/h

经济巡航速度：

917km/h

最大爬升率：

1200m/min=20m/s

最大巡航高度：

12000m

起飞距离：

2318m

降落滑跑距离：

2143m

15吨商载航程：

6400km

第一节机翼/中央翼、机身和翼身连接处结构特点分析

一、机翼结构特点分析

运十飞机机翼为双梁单块式结构，壁板采用以长桁面积为主的强长桁-弱蒙皮配置形式。

简短的分析如下。

机翼截面

（1）从上照片可以看出（我们认为机翼盒段是上下颠倒的），同一段机翼上壁板的桁条数多于下壁板桁条数目。

这样布置主要原因是机翼主要受较大的向上的弯矩，因此上翼面受压较为严重，下翼面受拉较为严重。

受拉的情况下，上翼面蒙皮容更易出现纵向失稳（局部皱折或局部失稳）引起破坏。

所以上翼面的设计重点是防止屈曲，故在上翼面布置较多的长桁，可为蒙皮提供支持，防止蒙皮失稳，提高蒙皮的失稳临界应力。

（2）运十机翼的后梁向后转折，是出于内部空间的需要，例如为了安置主起落架、增大整体油箱容积、增大机翼的扭转刚度等考虑。

（3）在图示的I、II、III处均加强了翼肋。

其中I处为加强侧肋，是出于承受总体扭矩的分量、传递反对称形成的剪力的考量。

II肋需要加强的是腹板和缘条，原因是在II肋处前后梁都有一个转角，总体弯矩在此处有分量作用在该肋上。

III肋需要加强的腹板，作用是为了整合参差桁条在蒙皮上形成的剪力（实际中桁条是不连续到翼梢的）。

另外，两台发动机的加强顺气流肋分别靠近II、III肋，这样就充分利用了加强结构。

（4）普通肋在II肋外的机翼上都是按垂直于前梁等间距分布的，而在侧根肋和II肋之间的普通肋则是由垂直前梁逐渐过渡到顺气流方向。

这样做的原因一是调整了机翼根部的刚度分布，使机翼具有良好的可挠性，降低了突风载荷系数；二是由于飞机主起落架舱在中段机身里，机翼双梁单块式传力形式基本没有受到破坏，它可以正常传递总体力，避免了根部三角区的出现，仍存在的后掠效应将由中央翼的五根加强梁充分发挥作用来克服。

同时，机身的下部虽然要为主起落架开口，但由于龙骨梁的存在，起开口的补强并不是太严重，因此这样做的最终结果减轻了结构设计的重量。

图1运十飞机翼梁、翼肋、桁条和中央翼布置示意图

二、机翼-机身的对接设计

运十的机翼和机身框各自独立，采用四个空心销将机翼的前后梁与框对接。

这种销既简单又易于安装。

这样的设计允许翼梁与框可自独立变形，因此自由转动的机翼在弯曲时对框的影响与作用在框上的增压载荷和地板梁的翘曲的框-地板梁接头而言，其载荷是相加的。

机翼的阻力、发动机推力等x轴方向载荷主要通过机身下方的机身龙骨梁传给机身。

三、机身结构特点分析

运十飞机机身采用桁条式结构，整个截面大约有52根桁条。

飞机长桁较密、较强，蒙皮较厚。

机身弯矩引起的轴向力由众多桁条和较厚的蒙皮组成的壁板来承受；剪力全部由蒙皮承受。

（1）机身开口结构加强：

1、中开口的加强。

运十飞机舱门处共打断了七根桁条，利用围框式加强方式。

围框利用舱门开口附近原已有的受轴力的周边桁条和蒙皮，加上再开口四周一圈井字型布置的杆和蒙皮构成。

2、小开口加强。

运十飞机机身开有舷窗，这些开口因为没有打断桁条，所以被认为是小开口。

开有舷窗对机身的纵向传力没有影响，但是蒙皮开掉后会影响到传剪。

所以运十飞机机身舷窗处加上了一圈界面具有抗弯能力的口框（如左照片所示）。

（2）压舱后端的球亏面框：

运十飞机作为民用客机，必须在客舱内增压。

由材料力学的知识可知，用球面框做端框比平面框以承弯的形式承受侧压要有利。

但是球面前后都较难充分来安放有效载重，机身容积利用率低。

为协调这一矛盾，运十飞机采用的是球面亏框的设计。

下面的照片是运十飞机增压舱后端的球亏面框，由逐渐展宽的三角形板在边缘处以搭接的形式胶粘成整体，并在搭接处卯有22根型材来加强，在靠近周边型材较稀疏的地方还补充有较短的型材。

顶部有帽盖。

机身后端球亏面框

第二节机翼/中央翼及机身结构受力分析：

一、机翼结构传力分析：

（1）蒙皮受力：

运十飞机的机翼蒙皮承受局部空气动力，起到形成和维持机翼外形的作用，承受扭矩，并且承受弯矩。

图2运十飞机机翼蒙皮受气动载荷

1-蒙皮；2-长桁；3-翼肋；4-长桁支反力；5-翼肋支反力6-铆钉支反力

（2）长桁受力：

长桁的作用主要是第一是支持蒙皮，防止蒙皮因受局部空气动力而产生变形过大；第二是把蒙皮传来的气动力传给翼肋：

第三是同蒙皮一起承受由弯矩而产生的拉、压力。

图3运十飞机长桁向翼肋的传力

（3）普通肋受力：

运十飞机的翼肋分为普通翼肋和加强翼肋。

普通翼肋用来维持翼剖面形状，将蒙皮上的空气动力传到其它承力构件上去，并支持桁条和蒙皮。

加强翼肋除具有普通翼肋的功用外，还作为机翼结构的局部加强件，承受较大的集中载荷或悬挂部件。

下面是运十飞机普通肋的力平衡图和内力图。

图4运十飞机普通肋的力平衡图和内力图

（4）翼外段III肋处的传力分析

因为实际运十飞机机翼中桁条是不连续到翼梢，III肋整合了参差桁条在蒙皮上形成的剪力，其受力如下图所示。

III肋需要加强的腹板。

图5翼外段III肋处的传力分析

（5）翼梁转折处II肋的传力，在不考虑上下壁板的绗条和蒙皮的情况下分析其受力。

A

图6加强肋II的受力

由于在II肋处前后梁都有一个转角，总体弯矩引起的轴向力在此处有分量作用在该肋上。

II肋上一点A处所受的轴力有沿翼肋方向的分量向左，必须由向右的反力来平衡。

由此在II肋上缘条引起向外的剪流。

类似地，II肋其他部位的剪流方向也可得出。

剪力图和弯矩图如上所示。

q

（6）加强侧肋I的传力

M

Q

R1

R2

图7加强侧肋的受力

运十机翼根部翼肋沿气流方向布置，减小了常规后掠机翼的三角区效应。

机翼的总体扭矩传至根部的加强侧肋I，由加强肋和机身的连接提供一对支反力平衡，从而传入机身结构。

加强侧肋I主要承受总体弯矩的分量、传递反对称形成的剪力。

I肋主要受剪，腹板需要加强。

如上图所示。

（7）机翼总体传力特征：

1、机翼所受的总体剪力通过各肋与梁腹板的连接以剪流形式作用到梁腹板上，由梁缘条提供展向支反剪流。

机翼根部侧边加强肋提供端边剪流来平衡。

最终通过根部加强肋与机身的连接传入机身结构。

2、运十飞机机翼的总体弯矩由上下壁板提供的一对等大反向的轴向力来平衡。

传入机身进入中央翼。

3、总体扭矩通过各肋与蒙皮、腹板的连接，以一圈圈剪流的形式作用由蒙皮、腹板组成的闭室上，传至根部侧边加强肋，由加强肋与机身的连接提供一对支反力平衡，从而传入机身结构。

图8机翼壁板受总体弯矩

二、中央翼盒传力分析：

1、剪力的传递：

剪力（对称和反对称）由前后梁的腹板通过四个接头直接传给机身。

2、扭矩的传递：

a、对称扭矩通过梁腹传给四个接头，从而传给机身。

b、反对称扭矩则进入中央翼箱，在中央翼内自身平衡。

（如下图所示）

图10运十飞机用四个接头传递机翼的剪力和扭矩

3、弯矩的传递：

a、对称弯矩直接在中央翼内平衡

b、反对称弯矩则通过中央翼壁板受剪（如下图所示），将剪力传给梁缘条，再传给中央翼梁腹板，中央翼梁腹板将剪流转成垂直剪流加到侧边加强肋上，通过该加强肋，传给对接接头，最终传给机身。

三、机身地板载荷的传力分析

运十飞机在机身截面下半部分设有地板梁，横梁和下半框连成整体。

整个机身截面成8字形。

机翼机身链接加强框如下照片所示。

运十飞机的机身隔框

地板上作用有垂直载荷时，地板受弯曲，并将地板上的分部压力穿到支持它的纵梁和横梁上。

因为纵梁是有横梁支持的，所以纵梁上的在和最后也传给了横梁。

横梁受弯，将载荷穿到机身隔框上。

隔框由机身蒙皮提供支反剪流，与横梁传来的力平衡。

在地板平面内的载荷Px传给纵梁，对于运十飞机而言，纵梁部分与中央翼的上翼面相连，由此Px得到平衡。

载荷Pz直接传给横梁，由横梁传给机身框。

第三节运十飞机的部分疲劳设计措施

运十飞机采用优化材料、控制应力水平、合理化结构受力、添加止裂缝和止裂带等方式对飞机进行了疲劳设计，简单分析如下；

1）选择好材料。

在受拉区采用耐疲劳较好的材料，梁的下凸缘、下蒙皮均为LY12。

而上缘条、上蒙皮均LC4。

2）控制应力水平和选择合理的安全系数。

如受充气压的框f设=2.5—2.0,如同时为开口段端框f设=3.0。

3）对壁板进行有效的选向分块，并加止裂缝（下翼面）。

4）采用分散受力或多重元件，如外缝和中央翼梁腹板的连接处中间加一对接垫板过渡；31框（前梁与机身的对接框）在框中部横梁（也是地板横梁）与下框缘间加立柱。

5）采用有利的受力形式。

例如采用水平放置的空心销，以起受剪的形式向机身传递机翼载荷。

6）便于检查维修，设置多个检查、维修口盖，注意结构补强措施。

7）为了提高疲劳强度，降低应力水平，阻止或延缓裂纹的扩展，在机身蒙皮的受拉薄蒙皮区域都加了止裂带。

这对提高机身的疲劳寿命是有利的。

后记

我们团队四名成员全部来自1173班，这份大作业从6月2日下午第一次开会讨论到6月29日晚最后定稿，整整持续了一个月时间。

大作业的所有工作任务的划分，大致如下表：

顾天元

完成第一节：

机翼/中央翼、机身和翼身连接处结构特点分析，I、II、III肋、机身传力分析，实地拍摄照片，绘制部分图片，最后统稿

巨龙

完成机翼蒙皮、桁条、翼肋传力分析、机翼总体传力分析、中央翼传力分析、绘制部分图片、疲劳设计措施分析

乔燕涛

完成机翼蒙皮、桁条、翼肋传力分析、机翼总体传力分析、中央翼传力分析、绘制部分图片、疲劳设计措施分析

马军

主要负责运十飞机资料的搜集、整理和分析。