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飞机结构分析与设计

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飞机结构分析与设计. 北京航空航天大学 B E I H A N G U N I V E R S I T Y. 第 十五 讲. §4.4 加强框的受力分析和设计. 加强框的作用: 承受框平面内的集中载荷,并以分布剪流形式传给机身蒙皮,所以它是一个在集中外载和分布支反剪流作用下平衡的平面结构。. 加强框的特点 1)它受的载荷大,是飞机结构的重要承力构件; 2)要与长桁、蒙皮相连。在一框多用时,上面的连接接头不止一个,框上常有多组接合孔群;

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Presentation Transcript
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飞机结构分析与设计

北京航空航天大学

B E I H A N G U N I V E R S I T Y

第 十五讲

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§4.4 加强框的受力分析和设计

加强框的作用:承受框平面内的集中载荷,并以分布剪流形式传给机身蒙皮,所以它是一个在集中外载和分布支反剪流作用下平衡的平面结构。

加强框的特点

1)它受的载荷大,是飞机结构的重要承力构件;

2)要与长桁、蒙皮相连。在一框多用时,上面的连接接头不止一个,框上常有多组接合孔群;

3)尤其是与其他部件(如机翼、尾翼)的对接框,其作用十分重要,因此一般说加强框常作为关键件之一,对其上的危险部位应进行精心设计。

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影响加强框的结构形式和设计的因素

机身外形、内部布置、 集中力大小与性质、 支持它们的机身盒段结构特点、 有无大开口等等因素

加强框的分类

根据受力形式,对加强框进行分类

环形刚框式加强框

加强框结构型式分类

腹板式加强框

构架式加强框

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整体式刚框

按结构分 组合式刚框

混合式刚框

一、 (环形)刚框式加强框
  • 刚框式加强框的构造

由内、外缘条,腹板,支柱等元件组成

  • 刚框式加强框的分类
  • 刚框式加强框的应用

机身隔框多数是刚框式,这是为了便于充分利用机身内部空间。

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它相当于一个封闭的曲梁,受载后有弯矩、剪力、轴力。 它相当于一个封闭的曲梁,受载后有弯矩、剪力、轴力。

弯矩—由刚框的内、外缘条承受,其对刚框的尺寸影响最

大;

剪力—由框的腹板承受,由它决定腹板的厚度;

轴力—由缘条和腹板共同承受。

环形刚框的受力特点
  • 由于弯矩对刚框的尺寸影响最大,我们以硬壳式机身等剖面环形刚框为例分析其弯矩内力,大致可得出以下结论:
    • (1)在法向集中力和集中力矩作用处,框缘截面的弯矩值最大;
    • (2)法向集中力产生的框截面内弯矩比切向集中力产生的弯矩要大,后者只有前者的1/4。
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这两个结论提醒我们:

  • 当有集中力作用到框上时,应使其尽可能接近切向;
  • 正是由于弯矩值沿周边是变化的,因此框缘设计时若与弯矩分布规律相符将有利于减轻框的重量。
刚框的设计
  • 刚框中内力分布和大小对刚框设计起关键作用,从上述刚框受力特点可看出,设计时应注意:
    • 刚框的构造型式主要依据刚框弯矩的分布和大小、刚框的截面高度及工艺制造能力确定;
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法向集中力引起框截面弯矩比切向集中力引起弯矩大,因此尽可能地使集中力沿切向作用于刚框上;法向集中力引起框截面弯矩比切向集中力引起弯矩大,因此尽可能地使集中力沿切向作用于刚框上;

刚框的设计
  • 框内剪力主要由腹板承受,当腹板较薄时,在剪切内力作用下会受剪失稳。另一方面,刚框的曲率较大,弯曲时内、外缘条对框腹板产生分布压力,所以必须设置一些支柱,以提高其受剪、受压临界应力;
  • 当构造或工艺要求刚框设置分离面时,一般将分离面布置在框截面弯矩最小处;
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刚框的设计
  • 长桁与刚框相交时,一般不允许将框缘条断开让长桁通过。因为长桁的轴力远比框缘条的内力小,一般将长桁断开。
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缘条

  • 腹板式加强框的构造 腹板

支柱

  • 腹板式加强框分类:见右图和下图

(a)

(b)

(c)

二、腹板式加强框

(a) 部分腹板式加强框(含有刚框)

(b) 完整腹板加强框

(c) 中间开口的腹板式加强框

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在需用框与壳体一起构成封闭舱段,如气密增压座舱、油箱舱、设备舱、起落架舱等舱段时,必须采用腹板框。

腹板式加强框的应用

腹板框的受力特点

  • 腹板框属于平面板杆结构,腹板上可设置加强型材用来承受集中力,并由它扩散成剪流传给腹板,腹板受剪;
  • 纵、横型材只受轴力,它们将

腹板分成若干个格子,以提高腹板的剪切稳定性;

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腹板上的剪流小,其厚度比刚框的薄;

  • 框缘条作为板杆结构中的杆子,只受轴力,而且它的应力比刚框缘条中的应力小得多。
腹板框的受力特点

刚框的设计

  • 主要型材(受力支柱)的布置:
  • 凡有集中力作用处都要布置较强的型材作为受力支柱; 主要型材应尽量保持连续;型材应取槽形、Z形、角形等具有一定承弯能力的剖面形状。
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辅助型材的布置:

主要作用是提高腹板受剪稳定性;这类型材一般可以不连续;当腹板框受侧压时,最好将型材置于腹板受压的背面,以免铆钉受拉。

腹板厚度:

腹板厚度对腹板式加强框的重量有很大影响,尤其是全腹板框;腹板不能太薄,一般大于0.8mm,否则铆接时可能变形太大;采用变厚度腹板减轻重量。

刚框的设计
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加强框的主要载荷为:

机翼传入的 弯矩M

剪力Qy

带部分腹板或混合式加强框的受力分析

现以歼-6飞机机翼-机身主对接框为例进行加强框受力分析。

主对接框的结构:

整个框内,除进气道部分外都有腹板;

两侧安置带接头的很强的框缘;

进气道上、下布置两根水平横梁;

横梁与框缘接头、腹板连接

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带部分腹板或混合式加强框的受力分析

对称弯矩

剪力

  • 剪力Qy——剪流qQy传给蒙皮;
  • 框缘接头和水平横梁连接处的垂直节点力R1y和R2y、R3y和R4y与机身上、下部分蒙皮剪流平衡;
  • 水平节点力R1z与R2z 、R3z与R4z在上下水平横梁中自身平衡;
  • 中腹板不受力。

力矩M——R2和R4、R1和R3组成的力偶——R1和R2 、R3和R4在上下水平横梁中自身平衡;

中腹板与上、下腹板不受力。

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不对称力矩作用下,腹板式加强框的受力分析

不对称力矩作用下,腹板式加强框的受力分析

(a)不对称弯矩的等效分解

(b)一侧作用力矩M时,加强框的受力分析

加强框外力平衡;

加强框内力的平衡分析:(1)框缘的平衡、(2)上下腹板的平衡、

(3)中腹板的平衡

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大 开 口

按开口尺寸分

中 开 口

小 开 口

快卸口盖

按使用特性分

一般口盖

§4.5 开口区结构受力分析和设计

一、开口的分类

  • 这里说的开口大小,是指它与开口所在处部件的基准尺寸相比而言
  • 即是相对大小,而不是绝对大小
  • 因为用相对大小比较才符合受力概念

二、口盖的分类

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不受力口盖

不受力基体结构

快卸口盖

按受力特性分

受剪口盖

受剪基体结构

一般口盖

受轴向力口盖

受轴向力基体结构

三、中、小开口区的补强设计

三、中、小开口区的补强设计

1、小开口区情况

  • 小开口区基体结构的情况:一般只破坏基体结构的受剪蒙皮
  • 小开口区的补强方式:

(a) 在蒙皮内表面沿开口周缘镶上一个口框,

如采用法兰盘式加强环;

(b) 设计时尽可能利用孔附近基体结构的框和桁条等元件。

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(d)

2、中开口区情况
  • 中开口区基体结构的情况:

不仅切断受剪蒙皮,往往还切断受正应力的构件(长桁)。

  • 中开口区的补强方式:

一般采用刚框式口框、围框式、加强垫板式补强方式

(1) 刚框式口框

  • 结构:绕开口周围布置一圈截面具有抗弯能力的加强结构
  • ——类似刚框
  • 受力情况:

对这类刚架,通常弯矩为其主要内力,因此,要求口框具有足够的抗弯刚度。

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结构:围框常利用开口附近已有的受轴力构件—周边杆和蒙皮,结构:围框常利用开口附近已有的受轴力构件—周边杆和蒙皮,

加上在开口四周加一圈井字形布置的受轴力杆组成。

(2)围框式加强型式
  • 受力情况:

其受力原理类似于把原来口框的梁式截

面改成由内、外侧两根受力杆和中间蒙皮组成的薄壁梁式受力截面。

由于围框的截面高度比口框大,故在受到同样大小的弯矩时,

围框中加强杆的应力将比较小。

q = q0 l/(l-b)

杆AGHB的平衡方程为

q1(l-b)+qb = q0 l

故q1 = q0 l(l-2b)/(l-b)2

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结构:在开口周围布置一加强垫板,将切断的桁条和隔框结构:在开口周围布置一加强垫板,将切断的桁条和隔框

  • 与垫板连接,开口两侧布置加强型材。
  • 受力情况:轴力的传递将在开口区之外的参与段内,通过蒙皮的剪切,把切断桁条上的轴向力集中到开口两侧的加强型材上去
(3)加强垫板式补强结构

四、机身大开口区的加强

  • 大开口区情况和补强方式:

这类开口的长度和宽度都较大,如炸弹舱、设备舱等。

在开口区一般采用开口两端设置加强框,开口两侧安置桁梁和加强桁条的加强形式。

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机身大开口区的传力分析

以某轰炸机机身炸弹舱开口区加强方案为例进行传力分析。

机身大开口区的传力分析
  • 结构:
  • 开口两端有腹板式加强框,开口两侧安置有封闭剖面式薄壁梁的桁梁
  • 机身大开口区弯矩的传递:
  • 开口处的轴力主要由桁梁来传递,切断桁条上的轴力转移到加强桁梁上必有一定的参与区
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机身大开口区扭矩的传递:

机身下部有大开口时扭矩的传递

  • 机身大开口区扭矩的传递:

在机身开口段,由于两侧壁中的剪流方向相反,开口段会因为参差弯曲而翘曲;

在开口区,每个剖面上除了有剪流外,还会产生附加正应力。

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开口和口盖的分类

中、小开口区的补强设计

机身口盖处设计

加强框的构造、分类

加强框的应用

加强框的受力特点

加强框的设计

受力分析

刚框式加强框

加强框结构分析和设计

机身大开口区的加强

腹板式加强框

构架式加强框

总 结
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三种不同形式载荷作用下刚框的截面弯矩分布图三种不同形式载荷作用下刚框的截面弯矩分布图

弹性对刚框弯矩和支反剪流的影响