飞机机翼浅析

1、飞机机翼结构浅析摘要飞机发明人美国人莱特兄弟说 “每只鸟都是一名特级飞行员，谁要飞行， 谁就得模仿鸟”的论述，对鸟的飞行动作，作了更仔细的观察研究，于 1903 年 成功地发明了世界上有动力、可操纵的飞机，成为世界公认的飞机发明人。飞机 机翼结构和升力产生的机理与鸟翼的结构及产生升力的原理基本上是一致的。飞 机在发动机驱动下向前飞行时，流过上下翼面气流的流速不一致，上翼面流速快 于下翼面，造成上翼面空气压力低于下翼面，从而使机翼产生升力，当升力大于 飞机的重力时飞机就能升空飞行了。由此可见机翼的作用非同寻常，下面我们来 看一下究竟。本文主要介绍机翼的功用、机翼的设计标准以及对机翼典型零件的 分析来对机翼的构造和翼型原理有一个更清楚的认识。关键词：机翼功用、机翼设计、副翼、机翼元件Abstract: The Wright brothers invented the airplane who said Americans Each bird is a super pilot, who will fly, who have to imitate the birds, the expositi

2、on of the birds flying, made a more detailed observational study, in 1903 successfully invented the world have power, maneuverability of aircraft, aircraft, the world recognized inventor. Aircraft wing structure and mechanism of lift generated by the structure of bird wings and produce lift are basically the same principle. Engine-driven aircraft in forward flight, the flow velocity of the upper and lower wing surface flow is inconsistent, on the wing faster than under the wing surface flow, cau

3、sing surface air pressure below the wing under the wing surface, so that the wings produce lift, when greater than the gravity lift aircraft flying off the aircraft will be able to. This shows an unusual wing, lets look at what had happened. This paper describes the function of the wing, the wings design standards and analysis of typical parts of the wing to the wing structure and airfoil theory have a better understanding.Key words: Function of the wing, wing design, flaps, wing components.西安航空

4、职业技术学院1机翼的功用机翼是飞机的一个重要部件，安装在机身上主要功用是产生升力。当它具有 上反角时，可为飞机提供一定的横向稳定性。在它的后缘，一般布置有横向操纵 用的副翼、扰流片等附翼。为了改善机 翼的空气动力效用，在机翼的前、后缘 越来越多地装有各种型式的襟翼、缝翼等增升装置，以提高飞机的起飞着陆或机 动性能。机翼上常安装有起落架、发动机等其他部件。近代歼击机和歼击轰炸机 往往在机翼下布置多种外挂，如副油箱和导弹、炸弹、火箭弹等军械设备。机翼 的内部空间常用来收藏起落架、放置一些小型设备、附件和储存燃油。特别是旅 客机，为了保证旅客安全，很多飞机不在机身内储存燃油，而把燃油全部储存在 机翼内。放置燃油的油箱有整体油箱和软油箱两种，为了减轻重量，近代飞机机 翼油箱很多为整体油箱（见图1-1）。图1-1 机翼组成图2 机翼的设计要求由于飞机是在空中飞行的，因此和一般的运输工具和机械相比，就有很大的 不同。飞机的各个组成部分要求在能够满足结构强度和刚度的情况下尽可能轻， 机翼自然也不例外，加之机翼是产生升力的主要部件，而且许多飞机的发动机也 安装在机翼上或机翼下，因此所承受的载荷就更大，

5、这就需要机翼有很好的结构 强度以承受这巨大的载荷，同时也要有很大的刚度保证机翼在巨大载荷的作用下 不会过分变形。其设计要求与飞机结构设计的五项基本要求是一致的, 只是各种 部件因功用不同, 而侧重点有所不同。2.1 机翼的外形参数机翼主要用于产生升力, 因此满足空气动力方面的要求是首要的。机翼除保 证升力外, 还要求阻力尽量小（少数特殊机动情况除外） 。机翼的气动特性主要取 决于其外形参数（如展弦比、相对厚度、后掠角、翼型等） , 这些参数在总体设计 时确定；结构设计则应从强度、刚度、表面光滑度等各方面来保证机翼气动外形 要求的实现。2.2 机翼的重量、强度、刚度在外形、装载和连接情况已定的条件下, 重量要求是机翼结构设计的主要要 求, 具体 地说就是要设计出一个既能满足强度、刚度和耐久性要求, 又尽可能轻 的结构来。强度包括静强度、动强度和疲劳强度。对于按“安全寿命”或“损伤容限” 设计的机翼, 应在其受力构件布置、各连接关系设计、零构件细节设计以及关键 件的可检性等各个环节中给予认真考虑 , 以便为结构提供较长的寿命和较好的 破损安全特性, 从而保证结构使用的可靠性。 机翼外载随过

6、载系数的增大而增 大。通常各类飞机的最大、最小过载系数 由强度规范规定, 如歼击机最大过载 系数可达+ 7+ 9。当飞机在高速飞行时，很小的变形就可能严重恶化机翼的 空气动力性能; 刚度不足还会引起颤振和操纵面反效等严重问题。值得注意的是: 随着飞行速度的提高， 机翼所受载荷增大; 然而， 由于减小 阻力等空气动力的需要， 此时机翼的相对 厚度却越来越小， 再加上后掠角的影 响， 致使机翼结构的扭转刚度、弯曲刚度越来越难保证， 这些都将引起机翼在飞 行中的变形增加。因此对高速飞机， 为满足机翼的气动要求， 刚度问题必须给予 足够重视。然而也正由于上述原因， 此时要解决好机翼的最小重量要求与强度、刚度要求之间的矛盾将更为困难。这种矛盾促进了机翼结构的受力型式不断发展, 在以 后的分析中我们将更清楚地看到这一点。2.3 机翼的使用、维护要求飞机应该使用方便, 便于检查、维护和修理。对于按损伤容限设计的飞机, 还 应满足相应的特殊要求。当机翼结构作为整体油箱舱使用时, 必须保证燃油系统 工作的高度可靠性。当该可靠性要求与结构重量轻的要求相矛盾时, 应首先保证 燃油系统的可靠性, 因为它涉及到

7、飞行的安全性。用作油箱舱的翼箱除满足一般 的强度、刚度要求外, 应具有较高的疲劳强度、良好的破损安全性能, 并应妥善 解决密封问题。机翼的工艺性和经济性要求, 与一般飞机结构相同, 此处不再重复。2.4 机翼的外载特点2.4.1 空气动力载荷空气动力载荷 q a 是分布载荷, 单位为 N/m2 。它可以是吸力或压力, 直接 作用在机翼表面上, 形成机翼的升力和阻力, 其中升力是机翼最主要的外载荷。 在各种设计情况下, 机翼的气动载荷的数值和分布情况是不同的, 因此其合力的 大小、方向、作用点相应地也不相同, 并将影响机翼的受力情况。2.4.2其他部件的集中载荷机翼上连接有其他部件 （如起落架、发动机） 、副翼、襟翼等各类附翼和布 置在机翼内、外的各种装载 （如油箱、炸弹） 。除了在以翼盒作为整体油箱情况 下燃油产生的是分布载荷外, 由于这些部件、装载一般都是以有限的连接点与机 翼主体结构相连, 因此, 不论是起落架传来的地面撞击力或副翼等翼面上的气动 载荷, 以及其上各部件、装载本身的质量力（包括重力和惯性力） , 都是通过接头 以集中载荷的形式传给机翼。其中有些力的数值可能很大。图2

8、-1机翼上所受的载荷机翼结构的质量力：机翼本身结构的质量力为分布载荷qc （P a）,其大小与 分布情况取决于机翼结构质量的大小和分布规律。它的数值比气动载荷要小得 多。在工程计算中，它的分布规律可近似认为与弦长成正比。上述提及的各种质量力的大小和方向还与飞机过载系数有关，其方向与升 力相反，对机翼有卸载作用。综上所述，若以载荷形式分，机翼的外载有两种类 型。一种是分布载荷，以气动载荷为主，还包括机翼本身结构的质量力，这是机 翼的主要载荷形式；另一种是由各接头传来的集中载荷（力或力矩）。2.4.3机翼的总体受力机翼的各种外载，总要在机翼、机身连接处，由机身提供支持力来平衡。因 此在上述载荷作用下，可把机翼看作是固定在机身上的一个“梁”。当机翼分成 两半，与机身在其左右两侧相连时，可把每半个机翼看作支持在机身上的悬臂梁； 若左右机翼连成一个整体时，则可把它看作支持在机身上的双支点外伸梁。这两 种情况虽然在支持形式上有所不同，但对外翼结构来说，都可以看作悬臂梁。但 必须指出，在把机翼看作为一个“工程梁”时，它与材料力学课程中介绍的一般 工程梁相比，有其特殊性。机翼高度（厚度）小，但其弦向尺

9、寸（相当于梁宽）大多与翼展有相同量级（尤 其是三角机翼）。而一般工程梁是指高度和宽度均比长度要小得多的单尺度梁， 这类梁仅注重沿长度方向分布的载荷。而对于机翼，弦向分布的载荷也很重要。一般工程梁支承简单，计算简化也容易。而机翼在机身上的固定形式要复杂 得多。此外考虑到结构支承的弹性效应，精确计算中，应认为机身是一弹性支承。各种外载在机翼结构中将引起相应的内力：剪力Q、弯矩M和扭矩M t。 剪力Q n和Q h分别表示沿y轴和x轴的分量。外载引起的弯矩分别为M n 和M h。此外由于外载合力作用点一般与机翼结构各剖面的刚心不重合，因而 还会引起相对于机翼刚心轴的扭矩Mt （见图2-2 ）。图2-2机翼上所受的力矩和剪力这些统称为机翼的总体受力。因为机翼的升力很大，且作用在机翼刚度最小 的方向上；而阻力相对于升力要小得多，且作用在机翼刚度最大的弦平面内，因 此在进行机翼结构受力分析时，常着重考虑气动载荷沿垂直于弦平面的分量一 升力引起的Q n、M n等。此时，机翼上剪力、弯矩和扭矩的分布如图2-3所 示。为简便起见略下标n，则Q = qdz - F ; M QdzHUMi i111 1 i1111I-L1丨p1111 iij11L iii 叫k) JiJ1111111Trrr-r图2-3机翼内力分布图3 机翼构件机翼的基本受力构件包括纵向骨架、横向骨架、蒙皮和接头。其中接头的作 用是将机翼上的载荷传递到机身上，而有些飞机整个就是一个大的飞翼（如美国 的 B 2 隐形轰炸机），则根本就没有接头。以下是典型的梁式机翼的结构。3.1 纵向骨架机翼的纵向骨架由翼梁、纵樯和桁条等组成，所谓纵向是指沿翼展方向，它 们都是沿翼展方向布置的。翼梁是最主要的纵向构件，它承受全部或大部分弯矩和剪力。翼梁一般由凸 缘、腹板和支柱构成。凸缘通常由锻造铝合金或高强度合金钢制成，腹板用硬铝

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