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从现代飞机的翼面结构来看,薄蒙皮梁式结构已很少采用;大型高亚音速的现代运输机和有些超音速战斗机采用多梁单块式翼面结构;而 )*较大的超音速战斗机,很多采用多墙(或多梁)式机翼结构,间或采用混合式结构型式。
三、翼面典型结构传力分析要点
+,典型元件的受力功用
(+)蒙皮 "蒙皮起承受气动载荷和维持机翼外形的作用。在总体受力时,它主要是用来承受扭矩引起的剪流。在现代高速飞机中由于蒙皮较厚,因此它还不同程度地以受轴力的型式参与承受机翼的弯矩,此时蒙皮将在其自身平面内同时受有较大的正应力和剪应力,处于复杂应力状态。上翼面蒙皮设计要防止压、剪应力联合作用下的失稳破坏,下翼面蒙皮的主要破坏形式是拉伸时的拉坏和铆钉连接处疲劳裂纹的发生与发展。
(%)翼肋 "普通肋不参加机翼的总体受力,它的主要功能是承受局部气动载荷和维持剖面形状。翼肋作为长桁的支点还承受长桁传来的局部气动载荷,还为防止长桁以及蒙皮受压总体失稳提供横向支持。
除此之外,加强肋还有以下两个功用:一是用来承受其他部件传来的集中载荷,将它扩散成分布剪流传到由梁和蒙皮组成的翼盒上;二是可以将某种形式的分布剪流转换成另一种形式的分布剪流(如大开口处的端肋、梁式机翼的根肋就属此类)。它一般有较强的腹板和缘条,应根据其受载后翼肋的内力(弯矩、剪力)的大小,对腹板和缘条的尺、广做出合理的设计。
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从前面分析可知,在机翼传力中翼肋通常是个很关键的元件,它经常能用来转换载荷形式、方向,使之成为适宜翼盒主要受力元件(蒙皮、梁、墙)受力特性的载荷,然后通过这些元件把载荷传往机身。
()翼梁和墙 "翼梁的主要外载是由各肋传来的剪力 。翼梁固支在机身上,由机身提供支反力和支反弯矩(如果梁左、右贯通,则当机翼处于对称载荷状态时,弯矩在梁上自身平衡,不传到机身上)。所以翼梁的主要功用是承受(或叫传递)机翼的剪力 和弯矩 %。梁的缘条(凸缘)承受弯矩引起的轴力,腹板承受剪力 。翼梁缘条受轴向压力时,由于在蒙皮平面内有蒙皮支持,在翼梁平面内有腹板支持,因此一般不会产生总体失稳,但须考虑其局部失稳问题。
纵墙和翼梁腹板的作用类似,因墙本身不能承受弯矩,而只能以受剪板形式受载,所以在梁式机翼中(又假设蒙皮不受正应力),它和翼梁腹板、蒙皮一起,作为翼盒的一部分,只能用以承受扭矩引起的剪流。但在多腹板式机翼中因蒙皮能承受正应力,可直接向腹板(墙)提供轴向支反剪流,此时腹板将承受由蒙皮直接传来的气动载荷(其合力为 )。
(&)长桁 "长桁承受局部气动载荷,并对蒙皮起支持作用。在现代机翼中,长桁一般都参加总体受力,此时它的主要功用是承受机翼弯矩引起的轴向力。长桁作为杆元,受压后可能产生总体失稳和局部失稳现象,在考虑总体失稳时,由蒙皮和翼肋分别在各自平面内对长桁提供支持。
’(各典型型式受力特点的比较
不同的受力型式,其结构元件的受力功用有所不同。正如过去曾提到的,机翼结构受力型式的发展主要与飞行速度的增长有关。速度的增加促使了机翼外形改变并提高了对结构强度、刚度、外形(气动外形和表面质量)的要求。比较梁式、单块式和多墙式的受力特点可以发现,单纯的梁式、薄蒙皮和弱长桁均不参加机翼总体弯矩的传递,只有梁的缘条承受弯矩引起的轴力。对高速飞机,由于气动载荷增大,而相对厚度减小又导致了机翼结构高度变小,只靠梁来承弯将使承弯构件的有效高度减小;加之对蒙皮局部刚度和机翼扭转刚度要求的提高,促使蒙皮增厚,长桁增多、增强。因此,在单块式、多墙式机翼中,蒙皮、长桁,乃至主要是蒙皮发展成为主要的承弯构件。由于蒙皮、长桁等受轴力的面积较之梁缘条更为分散、更靠近外表面,故承弯构件有效高度较大,因而厚蒙皮翼盒不仅承扭能力较高,抗弯特性也较好,因此,此种机翼结构一般说材料利用率较高。在承受总体力中的剪力和扭矩时,几种形式中各元件的作用基本相同。
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第四节 机翼、机身连接区和结构布置变化区的传力分析
一、机翼、机身对接接头处的传力分析
机翼上的总体内力— ——弯、剪、扭将由机身提供支反力来平衡。应该指出:机翼在其主要载荷— ——左、右机翼对称气动力作用下,不论何种结构形式,左、右机翼上最主要的总体内力— ——弯矩总是对称的(大小相等、两侧机翼均向上弯、或均向下弯)。因此,应力求使机翼有中央翼将左、右机翼连成一体,以保持机翼结构的完整性。中央翼是指位于机身内的机翼中段,对单块式机翼为中央翼段受力翼箱,对梁式机翼主要是翼梁。这样对称弯矩就可在机翼结构上完全或大部分(对后掠翼)自身平衡而不传到机身上去,这对飞机结构(包括机身和机翼)重量的减轻将十分有利。至于机翼上能自身平衡的载荷以及当机翼不带中央翼时的对称弯矩,则将由机翼一机身对接接头传给机身。
"翼根集中对接接头的构造形式与传力分析
薄蒙皮梁式机翼常常由于总体布置上的原因不能做成整机翼贯通机身,此时应尽可能使中翼翼梁穿过机身,例如可以把它们做成加强框的一个组成部分。若不可能时,则机翼只能在机身侧边与加强框相连,这时框的受力比较大,薄蒙皮梁式机翼或机翼根部段为梁式结构时,一般只需少数几个机翼一机身对接接头,称之为集中连接形式。
后梁接头由上、下两组耳片和梁的上、下缘条分别连接,此时接头可传递梁平面内的弯矩和力,可简化为固接。而前墙腹板与机身只有一组耳片连接,该接头在墙平面内可简化为铰接,可传 向剪力和沿墙轴线方向作用的 %向力。为了保证机翼上所有的弯、剪、扭都能传到机身上,最少需要一个固接接头和一个铰接接头。
弯矩以缘条上轴力的形式直接从耳片接头传给机身,连接螺栓受剪。薄蒙皮单梁式机翼弯矩由固接接头传递。薄蒙皮双梁式机翼则可由前、后梁的固接接头共同传递。
因梁腹板一般与机身无直接连接,所以为传递集中在腹板根部的机翼剪力( &向),应在梁腹板的根部布置一加强构件(如加强垫板、加强支柱或角盒等构件)与耳片接头相连,以便把全部剪力集中到耳片接头上再传给机身。
扭矩是由组成翼盒的蒙皮、腹板受剪向根部传递的,必须在机翼根部布置一加强翼肋,它把沿盒段周缘作用的闭合剪流转换成由两个垂直剪力组成的力偶,这时剪力由对接接头传给机身。
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飞机检测与维修实用手册 1(63)