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运输机机身结构布局大揭秘

飞机结构设计的教材中,一般会将机身的结构布局分为三种,桁梁式、桁条式和硬壳式,但是在运输机中最常用的是半硬壳式,其中前两种被称为半硬壳式。

我们先不讨论结构布局,先来研究机身的载荷。1、货物和飞机自身的重量;2、气密载荷;3、机翼的载荷;4、垂尾的载荷;5、平尾的载荷。若有中央翼,机翼的载荷在中央翼上就相互抵消了,同时气密载荷为内力,我们也不做考虑,所以我们就只考虑三种载荷。(请忽略博主的作画能力)

货物或飞行器自身的重量类似与悬臂梁,引起一个Y方向剪力。

垂尾方向舵偏转之后,会形成一个沿Z向的剪力(规定顺航向为X方向,向上为Y向,右手坐标系得到Z向),使用材料力学的姿势,将这个剪力移动到机身与垂尾连接处,于是就得到一个剪力和一个扭矩,这个扭矩是大拇指指向X方向哦,垂尾与机身的连接方式无论是通过耳片还是周边连接,都会产生一个扭矩,这个扭矩的距离是由连接处到机身中性轴的距离,这个时候,剩下的这个剪力产生的效果就类似于悬臂梁了。所以呢,垂尾方向舵偏移的影响,会引起弯矩,扭矩和Z方向剪力。

平尾升降舵偏转之后,类似与机翼,会提供一个向上或向下的矩,效果类似与悬臂梁,让飞机低头或抬头。所以平尾升降舵偏转之后,只会引起一个Y方向的剪力。

所以我们本着哪块受力大,我们那块结构强的原则来设计飞机。

首先,我们来看,X方向力,木有,好,下一个。Y方向力,由货物自身重量和平尾升降舵偏转引起的,所以,我们要加强上下蒙皮,考虑到稳定性,下蒙皮更要加强,Z方向力,由垂尾方向舵偏转得到的,所以要加强两侧蒙皮,X方向矩,只能是扭矩,由垂尾方向舵偏转得到,所以要加强整体蒙皮厚度,Y方向矩,由垂尾方向舵偏转得到,所以要加强两侧蒙皮,Z方向矩,由货物重量和平尾偏转得到,所以我们要加强上下蒙皮。

好的,分析了这么多,终于到设计部分了,按照力学分析,我们需要加强的主要是上下和两侧蒙皮,所以我们最有效率的方式是桁梁式,但是为什么飞机,如L-1011、波音系列,空客系列和C-130等飞机却使用的是桁条式呢?这里面一定有很大的阴谋。因此,是我们这些设计员们来破译的时候了(我们不擅长设计,但我们擅长破解)。

材料力学中,我们计算应力时候,是这样子的。Sigma=M*y/I,(假设机身半径为10,忽略量纲,忽略画图能力)。所以我们就能够想象力的分布情况。我们假设方向舵和升降舵对某个机身截面产生的力矩相同为M,使得机身最高处的拉伸载荷Sigma_H=10M/I,最低面压缩Sigma_L=10M/I,最左端压缩Sigma_LF=10M/L,最右端拉伸Sigma_RT=10M/L,而右上45°,拉伸Sigma_RH=14.14M/I,原理上与我们开头想象中的不同,这也就是为什么他们选用桁条式的原因了。

既然人们能够知道有横梁式和硬壳式存在的这个事情,那么它们肯定有使用的地方,所以呢,我个人觉得:横梁式用有大中开口的地方,硬壳式,对空间的利用率较高,使用在机身半径小的地方,如前机身的飞机鼻子等地方。

 

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 为什么大型客机的机翼在机身下部,而运输机的机翼在机身上部?
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