和军用规范规定这些类型载荷在设计中必须予以考虑。表 " "飞机的载荷
气动载荷 起飞、滑行载荷着陆载荷
机动 弹射 着陆撞击
突风 中断起飞 回弹
操纵面偏转 颠簸 侧偏运动
部件干扰 转弯 单轮着地
动力装置载荷 惯性载荷 其他载荷
推力 加速 牵引
扭矩 滚转 顶起
陀螺力矩 振动 增压
振动 颤振 鸟撞
进气道压力 坠撞
这些类型的载荷可以是静载荷、动载荷、疲劳载荷或温度载荷。它们均须在设计中予以考虑。
一、疲劳载荷
飞机是一种长期使用的结构体系,根据飞机的类型不同,使用期从几千小时到几万小时。因此,飞机受到的载荷是多次重复的,这样就形成了疲劳载荷。前面所讲述的各种载荷系数仅用来确定飞机结构的静态极限强度和刚度。在满足静强度、刚度条件下,飞机要反复承受各种机动载荷和着陆时的撞击载荷,这些反复载荷会引起飞机结构的疲劳破坏,而且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。
飞机结构所遇到的疲劳载荷是多种多样的,如在飞行中可能会多次遇到垂直突风;又如作用在尾翼上的机翼尾流,由于存在着周期性的旋涡,形成周期性的载荷;还有动力装置传来的周期性振动:机关炮多次击发时的重复冲击;副翼、舵面等受到的反复载荷;起落架在多次起飞、着陆时受到的冲击、振动载荷;座舱的重复增压;等等。
疲劳载荷引起的破坏是一个长期积累过程。由局部的疲劳损伤逐渐发展成裂纹,当裂纹扩展到某一临界值时,会快速扩展,导致结构的突然断裂破坏。
由于疲劳破坏是由反复变化的载荷经历一定的时间和交变次数引起损伤累积的结果,因此疲劳分析关心飞机在整个寿命使用期内结构承受载荷随时间变化的历程—
—载荷谱。使用载荷谱的编制中应包括所有重要的重复载荷源。主要有机动载荷、阵风载荷、着陆撞击载荷、地面载荷(滑行、刹车、刹车松开、打地转、转弯、牵引载
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荷等)、增压载荷及可动结构的重复操作引起的载荷。
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。因此必须研究结构减振、隔振、抗疲劳及破损安全的措施。在设计中,一般采用安全寿命设计、损伤容限设计和耐久性设计的设计原则(包括合理选择材料和结构形式及细节设计等),进行疲劳的安全寿命计算,并进行结构零、构件和全机的疲劳试验及损伤容限试验。
二、其他特殊情况的载荷
"非正常状态的载荷
非正常状态的载荷主要有:多发动机飞机的一个或几个发动机停车,尾旋,单轮着陆,打地转,机头碰地,飞机翻倒以及因故障强迫着陆等情况的载荷。一般要求遇到这些情况时,在空中应能维持飞机继续飞行,便于改正或安全返回。在地面应尽量减少对人员的伤害,尽量减少对飞机出口通道的阻塞。因而对人员的座椅和通道口附近的一些结构的设计载荷系数应适当增大(一般要比全机的最大设计载荷系数大好几倍),以确保安全。
"鸟撞载荷
飞鸟撞击飞机,由于相对速度大,鸟又有一定的质量,因而会把结构(主要是驾驶员座舱罩风挡玻璃)撞出一个大洞,飞鸟还可能经进气道被吸人发动机内,这些情况均将造成严重危害,并可能伤及人员,导致严重事故。鸟撞对复合材料结构会造成低能量冲击,引起层合结构分层,强度、刚度剧烈下降的严重后果,必须予以考虑。现在的设计规范均普遍规定鸟撞载荷的设计要求。如有的规范规定飞机在 %以下最大设计飞行速度飞行时,飞机风挡及其支撑结构应能承受 " &’(的飞鸟撞击而不致穿透,并要尽量防止撞坏的碎片伤害人员。对发动机进气道的鸟撞载荷指标也作了规定,总之不得影响到飞机的安全飞行。
另一方面,还要尽量研究鸟的活动规律。消除机场附近鸟类群集的条件,有的还在发动机进气道口安装金属丝网,以防止鸟撞人。还应采用抗撞击性能好的座舱玻璃材料,以保证人员安全,并用鸟炮作相应的鸟撞试验。
)"冰雹载荷
飞机在高空冷空气中飞行时,机体的一些部位(如机翼、尾翼的前缘,风挡玻璃等处)会出现结冰现象。它破坏了气动外形,增加了阻力,影响了性能,故在易结冰处应采取防冰(如加热或喷洒酒精)、破冰(如安装可胀、缩的橡皮囊)措施。还要考虑到可能下冰雹,它可分布在十几公里的范围内,冰雹最大直径一般可达 *%左右。要求冰雹不得严重损伤飞机,以免发生危险,发动机不能有危险的破坏和大的性能损失,另外还要考虑冰雹的密度、直径、速度和一块冰雹的多次撞击影响等。
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"噪音(声振)载荷
噪音主要有动力装置噪音(包括螺旋桨、转,子、涡轮风扇、压气机、喷气等所产生的噪音)、空气动力噪音(包括附面层压力被动、尾流噪音、激波振荡噪音等)以及机炮、火箭、导弹发射时产生的噪音等。这种载荷产生声压,并导致声疲劳。因而必须进行声压场测量,预测声载荷的大小、分布、声载作用的时间等,对承受声振载荷的结构进行疲劳分析、设计及声载试验,以保证结构件在使用寿命期内不会由于声载荷而导致破坏。
"瞬时响应载荷
如核武器爆炸、起飞助推、外挂物的投放、弹射等对飞机结构作用的载荷。
三、环境谱的编制
飞机结构在实际使用中除经受重复载荷外,还会遭受化学、湿热和气候环境的侵袭。这些使用环境会严重降低工程材料的疲劳性能,减少飞机结构的使用寿命。然而,以往的飞机设计往往忽视了这些重要的环境因素,导致不少飞机结构在使用中发生腐蚀疲劳破坏。因此飞机设计,特别是飞机抗疲劳、断裂设计应考虑重复载荷和使用环境联合作用时对飞机结构疲劳破坏的影响— ——即耐久性设计。
我们用环境谱来描述飞机所遭受的化学、湿热和气候环境。前面提到的载荷谱为载荷大小随时间的变化,即载荷—时间历程。环境谱则为环境强度随时间的变化,即环境—时间历程。
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