飞机机翼结构分析

前言

飞机机翼结构分析实根据发《飞机结构强度》一书中第三章的内容，本文主要论述了飞机机翼的功用及翼面结构。机翼由副翼前缘缝翼襟翼扰流板组成，从机翼的空气动力载荷到机翼的总体受力，能够更深入更全面的了解机翼了解航空领域所涉及学科的基础知识基础原理及发展概况，对开拓视野，扩大知识面以及今后的学习和工作都有帮助。

1.1机翼的功用

机翼是飞机的一个重要部件，其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侧安定性。除后缘布置有横向操纵用的副翼、扰流片、等附翼外，目前在机翼的前、后缘越来越多地装有各种形式的襟翼、缝翼、等增升装置，以提高飞机的起降或机动性能。机翼上常安装有起落架、发动机等其它部件。现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、等军械设备。机翼的内部空间常用来收藏起落架或其部分结构和储放燃油。特别是旅客机，为了保证旅客的安全，很多飞机不在机身内贮存燃油，而全部贮存在机翼内。为了最大限度地利用机翼容积，同时减轻重量，现代飞机的机翼油箱大多采用利用机翼结构构成的整体油箱。此外机翼内常安装有操纵系统和一些小型设备和附件。

1.2翼面结构设计要求

1.气动要求

翼面是产生升力主要部件，对飞行性能有很大的影响，因此，满足空气动力方面的要求是首要的。翼面除保证升力外，还要求阻力尽量小﹙少数特殊机动情况除外﹚。翼面的气动特性主要取决于其外行参数﹙如展弦比、相对厚度、后掠角和翼型等﹚，这些参数在总体设计时确定；结构设计则应强度、刚度及表面光滑度等方面来保证机翼气动外形要求的实现。

2.质量要求

在外形、装载和连接情况一定的条件下，质量要求时翼面结构设计的主要要求。具体地说，就是在保证结构完整性的前提下，设计出尽可能请的结构。结构完整性包含了强度、刚度、耐久性和损伤容限等多方面内容。

3.刚度要求

随着飞机速度的提高，翼面所受载荷增大，特别对于高机动性能歼击机和高速飞行的导弹；由于减小阻力等空气动力的要求，翼面的相对厚度越来越小，再加上后掠角的影响，导致翼面结构的扭转刚度、弯曲度将越来越难保证，这些均将引起翼面在飞行中的变形增加。高速飞行时，很小的变形就可能严重的恶化翼面的空气动力性能；刚度不足还会引起震颤和操纵面反效等严重问题。因此，对高速飞机和导弹，为满足翼面的气动要求，保证足够的刚度十分重要。

4.气动加热要求

一般亚音速飞行器，所选用的结构材料是常用金属及非金属材料，不必考虑温度对材料的影响。高速飞行时，翼面将受到气动加热的影响，尤其是翼面前缘的起动加热问题尤

为严重。因此当以大马赫数的速度飞行时，还要考虑气动加热对结构强度和刚度的影响。

5.使用维修要求

翼面结构应便于检查、维护和修理。翼面内部通常铺设有相当数量的操纵系统零部件、燃路、电气线路和液压管路等，对这些系统和线路需要经常检查调整。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，包括油箱的密封可靠。对所有要求检查维护的部位都应该有良好的可达性，为此必须设置一定数量的开口，设计时要求处理好使用维护与结构质量之间的矛盾.

2机翼的各部分装置介绍

1副翼

副翼是指安装在机翼翼梢后缘外侧的一小块可动的翼面。为飞机的主操作舵面，飞行员操纵左右副翼差动偏转所产生的滚转力矩可以使飞机做横滚机动。翼展长而翼弦短。副翼的翼展一般约占整个机翼翼展的1/6到1/5左右，其翼弦占整个机翼弦长的1/5到1/4左右。对于航模不单是以上数据，它随飞行方式和动力装置变化。

2.前缘缝翼

前缘缝翼是安装在基本机翼前缘的一段或者几段狭长小翼，主要是靠增大飞机临界迎角来获得升力增加的一种增升装置，航模则是将襟翼固定。前缘缝翼的作用主要有两个： 1.延缓机翼上的气流分离，提高了飞机的临界迎角，使得飞机在更大的迎角下才会发生失速； 2.增大机翼的升力系数。其中增大临界迎角的作用是主要的。这种装置在大迎角下，特别

是接近或超过基本机翼的临界迎角时才使用，因为只有在这种情况下，机翼上才会产生气流分离 现代飞机的前缘缝翼没有专门的操纵装置，一般随襟翼的动作而随动，即为游动式。在飞机即将进入失速状态时，前缘缝翼的自动功能也会根据迎角的变化而自动开关

在前缘缝翼闭合时（即相当于没有安装前缘缝翼），随着迎角的增大，机翼上表面的分离区逐渐向前移，当迎角增大到临界迎角时，机翼的升力系数急剧下降，机翼失速。当前缘缝翼打开时，它与基本机翼前缘表面形成一道缝隙，下翼面压强较高的气流通过这道缝隙得到加速而流向上翼面，增大了上翼面附面层中气流的速度，降低了压强，消除了这里的分离旋涡，从而延缓了气流分离，避免了大迎角下的失速，使得升力系数提高。机翼能够产生升力是因为机翼上下存在着压力差。但是这是有前提条件的，就是要保证上翼面的的气流不分离。如果机翼的迎角大到了一定程度，机翼相当于在气流中竖起的平板，由于角度太大，绕过上翼面的气流流线无法连贯，会发生分离，同时受外层气流的带动，向后下方流动，最后就会卷成一个封闭的涡流，叫做分离涡。像这样旋转的涡中的压力是不变的，它的压力等于涡上方的气流的压力。所以此时上下翼面的压力差值会小很多，这样机翼的升力就比原来减小了。到一定程度就形成失速，对应的机翼迎角叫做失速迎角或临界迎角。

3襟翼

襟翼是安装在机翼后缘内侧的翼面，襟翼可以绕轴向后下方偏转，主要是靠 增大机翼的弯度来获得升力增加的一种增升装置。当飞机在起飞时，襟翼伸出的角度较小，主要起到增加升力的作用，可以加速飞机的起飞，缩短飞机在地面的滑跑距离；当飞机在降落时，襟翼伸出的角度较大，可以使飞机的升力和阻力同时增大，以利于降低着陆速度，缩短滑跑距离。 在现代飞机设计中，当襟翼的位置移到机翼的前缘，就变成了前缘襟翼。前缘襟翼也可以看作是可偏转的前缘。在大迎角下，它向下偏转，使前缘与来流之间的角度减小，

气流沿上翼面的流动比较光滑，避免发生局部气流分离，同时也可增大翼型的弯度。

4扰流板

有的称之为“减速板”、“阻流板”或“减升板”等，这些名称反映了它们的功能。扰流板分为飞行、地面扰流板两种，左右对称分布，地面扰流板只能在地面才可打开，实际上扰流板是铰接在机翼上表面的一些液压致动板，飞行员操纵时可以使这些板向上翻起，增加机翼的阻力，减少升力，阻碍气流的流动达到减速、控制飞机姿态的作用。

4翼面结构的典型构件

1.蒙皮

蒙皮的直接功用是形成流线形的机翼外表面。为了使机翼的阻力尽量小，蒙皮应力求光滑，为此应提高蒙皮的横向弯曲刚度，以减小它在飞行中的凹、凸变形。从受力看，气动载荷直接作用在蒙皮上，因此蒙皮受有垂直于其表面的局部气动载荷。此外蒙皮还参与机翼的总体受力——它和翼梁或翼墙的腹板组合在一起，形成封闭的盒式薄壁梁承受机翼的扭矩；当蒙皮较厚时，它常与长桁一起组成壁板，承受机翼弯矩引起的轴力。壁板有组合式或整体式.某些结构型式(如多腹板式机翼)的蒙皮很厚，可从几毫米到十几毫米，常做成整体壁板形式，此时蒙皮将成为承受弯矩最主要的，甚至是惟一的受力元件。

在现代机翼中它一般都参与机翼的总体受力——承受机翼弯矩引起的部分轴向力，是纵向骨架中的重要受力元件之一。除上述承力作用外，长桁和翼肋一起对蒙皮起一定的支持作用。

3翼肋

普通翼肋构造上的功用是维持机翼剖面所需的气动外形翼梁是单纯的受力件，缘条承受由弯矩Ｍ引起的拉压轴力。由支柱加固的腹板承受剪力Ｑ并能承受由扭矩引起的剪流，是翼面周边形成闭室并在这两种情况下受剪。在有的结构形式中，它是翼面的主要的纵向受力件，承受翼面全部或大部份弯矩。翼梁大多在根部与中翼或机身固接。

5纵墙

纵墙的构造与翼梁相似，但缘条比梁缘条弱的多，一般与长桁相近，根部与其他部分的连接方式为铰接。纵墙一般都不能承受弯矩，腹板主要用来承受剪力并传递倒连接接头，但与蒙皮组成封闭盒段以承受翼面的扭矩。纵墙还起到对蒙皮的支持，以提高蒙皮的屈曲承载能力。通常腹板没有减轻孔，为了提高临界应力腹板用支持型加强。后墙则还有封闭翼面内部容积的作用。纵墙1—腹板2—弱缘条蒙皮、长桁相连，机翼受气动载荷时，它以自身平面内的刚度向蒙皮、长桁提供垂直方向的支持。同时翼肋又沿周边支持在蒙皮和梁(或墙)的腹板上，在翼肋受载时，由蒙皮、腹板向翼肋提供各自平面内的支承剪流。加强翼肋虽也有上述作用，但其主要是用来承受并传递自身平面内的较大的集中载荷或由于结构不连续(如大开口处)引起的附加载荷。

4.4翼梁

翼梁由梁的腹板和缘条组成，呈工字形或槽形。

机翼典型结构的传力分析

1空气动力的传递

1蒙皮将局部空气动力传给桁条和翼肋

当蒙皮受到吸力作用时，通过铆钉把力传给桁条和翼肋，铆钉承受拉力；蒙皮受到压力作用时，气动力直接作用在桁条和翼肋上。无论在吸力或压力作用下，蒙皮都 要承受张力。 作用在翼肋上的空气动力来自两方面：一方面是由直接与翼肋贴合的蒙皮传来的；另一方面，来自与翼肋相连的桁条。

2 翼肋将载荷传给翼梁腹板和蒙皮

如果忽略水平分力的作用，传到翼肋上的空气动力，可组合成一个垂直向上的合力作用于压力中心上。飞行中压力中心通常不与刚心重合。对于翼肋来说，相当于一 个作用于刚心上的力和力矩。刚心的定义是：横截面上有一个特殊的点，当外力作用线通过这一点时，不会使横截面转动。外力作用线不通过这一点，横截面就会绕该点转动，这个点称为该横截面的刚心。机翼各横截面的刚心的连线称为机翼的刚心轴。作用在刚心上的力，要使翼肋沿垂直方向移动，而翼肋是固定在翼梁腹板上的，在翼肋沿垂直方向移动的时候，就把这个力传给腹板，使两根翼梁弯曲。由于作用在刚心上的力不会使翼肋转动，在翼肋平面上，两根翼梁的弯曲变形程度相同，因此，翼肋传给前后梁腹板的力与前后梁的抗弯刚度成正比。前后梁腹板对翼肋的反作用力，分别与作用力ΔQ 1、ΔQ 2相等。在传力的过程中，蒙皮和翼肋之间存在着相互支持、相互传力的关系： 1．蒙皮沿垂直表面的方向很容易变形（即刚度很小），当它受到吸力和压力时，要依靠翼肋的支持，并把空气动力传给翼肋。 2．蒙皮在自己平面内不容易变形（即刚度较大），当翼肋受到外力矩时，蒙皮能够对翼肋起支持作用，因而翼肋就将外力矩传给蒙皮。

5.1.3蒙皮将翼肋传来的载荷传给机身 翼肋以剪流形式传给蒙皮的力矩，要使机翼产生扭转变形，它对机翼来说是扭矩。机翼扭转时，蒙皮截面上会产生沿合围框周缘的剪流。剪流形成的内力矩与截面外端所有翼肋传给蒙皮的扭矩平衡。这时，机翼各部分的蒙皮都要产生剪切变形。 翼根处的扭矩传给机身的方式，由翼根部分的构造来决定。如果翼根部分没有开大舱口，机翼蒙皮与机身是沿整个接合周缘连接的，扭矩就能通过蒙皮以剪流的形式沿接合周缘传给机身。如果翼根部分开有大舱口，机翼只是通过翼梁与机身隔框相连，那末蒙皮就只能将扭矩以剪流的形式传给开口边缘的加强翼肋，并有使加强翼肋旋转的趋势。这时加强翼肋的两个支点(前后梁腹板)，对它产生一对大小相等、方向相反的反作用力，形成反力偶来阻止它旋转。同时，加强翼肋也就对前后梁腹板各产生一个作用力，把扭矩以力偶形式传给翼梁。前后翼梁则将扭矩产生的作用力，在机翼与机身的连接点处，传给机身隔框。

5.1.4 翼梁将载荷传给机身隔框和缘条 翼梁腹板一方面与机身隔框连接，另一方面还以纵向的铆钉与缘条相连。各个翼肋通过铆缝传给腹板的力，要使翼梁腹板承受剪切作用。翼根截面的剪力，由机翼与机身隔框相连的铆钉或螺栓产生反作用力来平衡。此外，翼肋传来的力，还要使翼梁各截面承受弯矩。这个弯矩是通过腹板和缘条连接的两排纵向铆钉传到缘条上去的。

5.1.5翼梁缘条传递腹板传来的载荷 当翼肋传给腹板的力的方向向上时，腹板沿纵向铆缝传给上缘条的剪流是由翼尖指向翼根的，它要使由前后梁的上缘条、上缘条之间的蒙皮和桁条组成的上部壁板向翼根方向移动。上部壁板各构件的截面上要产生压缩的轴向内力，来阻止壁板移动，并与缘条上的纵向剪流平衡。下缘条上纵向剪流的方向相反，下部壁板各个构件要产生拉伸的轴向内力。传到缘条上的纵向剪流不能完全由缘条本身产生的轴向力来平衡，它还要通过铆钉将一部分力传给蒙皮；而传到蒙皮上的那一部分力，也不能完全由蒙皮产生的轴向力来平衡，它又要将一部分力通过铆钉传给桁条。在些传力过程

中，壁板上的铆钉都要沿铆缝方向受到剪力。弯矩以纵向剪流的形式传给上、下缘条以后，是由上、下壁板来承受的。

5.2集中载荷的传递情况 机翼上的集中载荷，如部件的质量力、偏转副翼和放下襟翼时产生的空气动力、飞机接地时起落架受到的撞击力等，通常都直接作用在某个翼肋上。翼肋受到集中载荷后，按翼梁的抗弯刚度成比例地传给各个腹板，而把这个载荷引起的扭矩传给蒙皮。蒙皮和腹板受到翼肋传来的作用力以后，再把它们传给缘条和机身。翼梁腹板和蒙皮都是薄壁构件，如果载荷集中地作用在薄壁的某一部位，它就容易损坏。但是，翼肋能以剪流的形式将载荷分散地传给蒙皮和腹板。分散集中载荷也是翼肋在机翼结构中的作用之一。传递较大的集中载荷的翼肋，通常都是加强的。它们的结构强度较大，同腹板、蒙皮的连接也比普通翼肋结实很多，一般是两排或三排直径较大的铆钉连接。但当飞机作剧烈的机动飞行或粗猛着陆后，加强翼肋上的部件固定接头，以及加强翼肋与腹板、蒙皮连接的铆钉仍可能因受力过大而损坏。对这些部位，应当特别注意检查，修理这些部位时，也要特别注意保持其强度。有些飞机机翼上的集中载荷，是通过固定接头上的螺钉或铆钉直接作用在翼梁上的。这时，集中载荷由翼梁腹板和缘条直接传给机身。维护工作中，对这些固定接头，也应加强检查。

5.3机翼结构中力的传递过程

机翼结构中力的传递过程，可以简要归纳如下：

1．蒙皮上的局部空气动力，由桁条或直接同翼肋贴合的蒙皮传给翼肋。 2．翼肋将空气动力和集中载荷，按梁的抗弯刚度成正比地传给腹板，将它们对刚心扭矩传给蒙皮。蒙皮将扭矩传给与机身接合的周缘螺钉（或开口边缘的加强翼肋）。 3．腹板把各个翼肋传来的剪力，传给机身隔框；把这些力产生的弯矩，通过纵向排列的铆钉传给上下缘条。

4．机翼翼梁的缘条，连同桁条和蒙皮，把由纵向铆钉传来的力，传给机身的连接接头。

17 6飞机机翼结构的发展

6.1 新材料的应用

1;复合材料一般被设计成叠层结构，根据纤维的排列方向不同，构成了复合材料各项异性的特点，明显地表现在力学性能、刚度特性方面，利用这一特点，进行优化剪裁设计，可以获得高效率、低重量的航空结构。复合材料的组件化、整体化设计，可以大大减少零件数量，减少连接件和连接过渡区附加重量、减少装配，是减轻结构重量、降低成本的有效技术途径。自20世纪70年代中期起，美国各大航空公司率先在各自新研制军机上采用复合材料机翼结构；欧洲随后效仿。我国在1995年试飞成功带整体油箱复合材料机翼，现已装机试用。目前战斗机机翼结构，复合材料的用量已占机翼结构重量的1/3～1/2，甚至更多。

2由于，钛合金、铝合金的比强度、比刚度高、比重小，可设计，也是现代飞机机翼设计中减轻结构重量的重要途径。

3新一代纳米材料是本世纪的前沿技术之一，对航空技术带来深刻影响。这是因为它比非纳米金属有更高的拉伸强度、疲劳性能和塑性，而且重量轻。美国NASA对可重复使用的空天飞机的研究表明，以铝合金的重量为100%计算，用普通的碳纤维增强复合材料可减重55%，碳纳米管增强复合材料则可减重82%。

新技术的出现

现代飞机机翼设计采用了各种新技术，由原来静强度设计发展到疲劳寿命设计、损伤容限和耐久性设计、可靠性设计。计算机与有限元法相结合，运用计算机辅助设计，ANSYS、NASTRAN有限元分析等先进手段，追求最佳几何尺寸，使机翼设计更加精确、合理，充分发挥结构效率，得到重量轻效率高的结构。整体油箱技术的应用，减少了传统油箱的隔板，大大减轻了机翼结构重量。3新工艺、新设备的发展 整体、蜂窝胶接、翼身融合体等承载能力大、重量轻的先进结构，相继研制了大吨位的水压机、整体壁板拉伸机、多坐标数控铣床以及大型热压等先进设备。还开发了机翼整体壁板喷丸成形、超长蒙皮的滚弯成形、整体油箱密封、强化工艺、激光加工、自动铆接装配等技术。

随着新材料、新技术、新工艺在飞机设计中的广泛应用，机翼结构重量在飞机结构重量中所占比重越来越小。在满足强度条件下，机翼结构是集现代新材料、新技术、新工艺于一身，可以预见，随着时代的发展，机翼结构重量比例将会进一步下降。

结 束 语

在课程设计是对我们所学课程的内容一次全面综合检查总结和再学习的过程，在这段难忘的课程设计的时期里我感受到了研究一个课题的乐趣，这也是我学习飞机结构强度以来第一次比较系统的制作的设计，当然,在设计的过程中遇到了许多的困难，但是我坚信,只要坚持加努力,就一定能完成任务。每解决一个困难的时候，心里就会感到很高兴，并且也在设计过程中得到了一次难能宝贵的经验。在将近一个星期的设计时间里，我克服了重重障碍，并加之不断的学习和讨论，在这一星期里，我学到了很多东西，重新巩固了原来的知识，甚至学到了一些没有在课本里没有的知识，也得到了一次宝贵的经验。