[科普中国]-机翼结构设计

机翼结构设计的原始依据

结构设计的任务是根据飞机总体设计阶段所提供的依据，设计出能满足各项要求的具体机翼结构。

机翼结构设计的原始依据(1)根据飞机类型和性能，由总体设计给出有关的全机主要参数：如翼载P=G/S(G为起飞重量)，机翼面积S，机翼最大过载系数以等，这些参数与机翼外载的大小直接有关。

(2)机翼的气动布局，包括机翼的外形参数和机翼一机身的相对位置等。外形参数主要有展弦比λ、机翼展长L，翼型相对厚度c、后掠角χ和根梢比η。一般说λ小、η和c大，有利于减轻机翼的结构重量。后掠机翼的z越大，则机翼的弯曲刚度、扭转刚度与减轻重量之间的矛盾将越大。而就三角机翼而言，虽然χ大，但因为λ小、η大，因而它的结构刚度较之后掠翼大为改善，特别是根部。但正由于η大，且c一般较小，所以在翼尖区和前、后缘都比较薄，然而三角机翼这些部位的气动载荷都比较大，因此设计中要注意提高这些区域的刚度。

由总体设计所决定的机翼一机身相对位置，如上单翼、中单翼还是下单翼，机翼能否以某种形式贯通机身，还是分成两半在机身侧边与机身连接；以及机翼一机身是用几个接头固接或铰接等也与机翼的结构设计直接有关。

由上述可知外形不同的机翼在气动载荷以及结构强度、刚度等方面有不同的特点，几何参数和布局对机翼的结构型式选择、受力构件的布置均会产生影响。

(3)机翼的内部布置。为了提高结构效率、充分利用机翼空间，现代飞机的机翼内一般都利用机翼本身结构布置机翼整体结构油箱，为此在结构中要解决一些特殊问题。此外机翼上是否需固定、收藏起落架，有否安装发动机或其他外挂，以及与前、后缘活动面的连接关系等，都会对机翼受力构件的布置产生直接影响。2

设计要求在结构设计阶段，着重要解决好结构完整性一重量的矛盾，结构完整性则是建立在强度、刚度(气动弹性)、损伤容限和耐久性等多项设计准则的基础上的。因此可以说安全、减重、增寿、经济性是飞机结构设计的主要指标。从目前来看，飞机结构重量占全机重量的比值，以可作全部机动的歼击机为例，大致为0.30~0.35，其中机翼、尾翼与操纵面三者的结构总重又占相当比例，一些大型旅客机可接近一半。现代飞机的使用寿命长，一般旅客机为60 000小时。目前还在为使上述各指标达到更先进的水平丽努力。为此，主要的办法是在设计工作中采用先进的、更为精确的分析方法、计算机辅助和优化设计等先进设计技术和先进的试验技术，不断发展并应用新材料、新结构、新工艺等。通过多种途径，不断提高结构设计的水平。2

设计内容机翼结构设计基本上可分为两个阶段，即打样设计和详细设计(也称工作设计)。对强度、刚度、损伤容限、耐久性等设计准则的综合考虑应贯穿在整个设计工作中，(其中损伤容限、耐久性两项也可改用损伤容限、疲劳配套方案，视不同型号的具体要求而定)，只是在两个阶段中侧重点和深度、细化程度有所不同。

打样设计在该阶段首先要确定机翼的结构型式、结构布局(即受力构件布置)，选择分离面以及初步确定主要构件的剖面尺寸等。以上工作主要在强度、刚度和损伤容限基础上进行，之后按耐久性设计要求，对一些重要的细节部位，特别是各重要承力构件之间的连接区进行耐久性打样设计。此外还要进行机翼蒙皮的分块，备构件间的协调及连接形式的确定，维护检查口盖位置、大小的确定等等。在进行这些工作时，除考虑上述各设计准则外，还必须注意综合考虑结构本身的工艺性以及内部各种装载物、管道、电缆、附件等系统的位置协调和使用维护要求。最后把总体协调的结果绘在打样图上。并根据梁、翼肋和桁条的布置结果。，详细绘制出机翼的结构理论图。

需要指出的是，上述有些工作是和飞机总体设计工作同时进行的。机翼结构型式和布局的确定必须在总体部位安排时，综合机翼、机身的情况，协同考虑。如美国的F-4歼击机曾论证了75种机翼平面形状及机翼、机身的相对位置和连接关系，最后才确定出现在的这一种方案。在论证过程中，对每一种方案均考虑了它在结构上实施的可能性和优、缺点。总之不少工作往往需要经过多次的反复协调才能完成。

作为损伤容限、耐久性设计，在本阶段主要从材料的初步选择、应力水平控制、结构布局和细节设计四个因素考虑。然后确定关键件，对关键件和重要细节进行初步分析，必要时还需配以一定的研究试验。一般也总要经过设计修改，才能最后完成打样设计。2

详细设计(工作设计)进行机翼各结构元件如壁板(包括蒙皮、长桁)、梁、肋的结构设计。根据它们各自所受的载荷和协调条件，选择各元件的结构形式，合理地选择材料，确定其几何尺寸并选定构件间的连接方式。并对机翼结构进行强度、刚度校核计算、颤振校核等工作。

损伤容限、耐久性设计应对打样设计结果进一步深化、细化，除对结构件的总体尺寸和局部细节尺寸精确确定外，还要根据损伤容限和耐久性设计要求，对公差、表面粗糙度、表面处理及特殊加工工艺等进行精确控制。

结构分析人员则要进行更为深入细致的损伤容限、耐久性分析，完成必要的试验，并给出检查周期和经济寿命。

最后设计若已满足各项设计要求，即可发出全部生产图纸。2