机翼的结构分析——毕业论文.docx
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上海民航职业技术学院毕业设计（论文）
上海民航职业技术学院
毕业论文
机翼的结构分析
专业：
飞机结构维修
班级：
学号：
XXXXXXXXX
姓名：
完成日期：
指导教师:
24
上海民航职业技术学院毕业设计（论文）
摘要
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、炸弹等军械设备。
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。
本文阐述的是飞机机翼的类型、机翼的受力、机翼的结构组成部分、机翼常见的破坏形式和机翼翼梁的修理方法。
关键词：
机翼类型、机翼受力、结构组成、损伤形式及修理方法。
ABSTRACT
Wingisanimportantcomponentoftheaircraft,itsmainpurposeistoproducelift.WhenitisonanAngle,butforaircraftprovideacertainamountoflateralstability.Inadditiontothetrailingedgeisdecoratedwithhorizontalmaneuveringflap,disturbedflowsheets,annex,suchasinthefrontandrearofthewingincreasinglyequippedwithvariousformsoftheflapsandslats,devicesuchasarising,inordertoimprovethetake-offandlandingofaircraftormotorperformance.Thewingsareinstalledonlandinggear,engineandotherparts.Modernfightersandlayoutofthefighter-bomberareoftenunderthewingofavarietyofplugins,suchasdroptankandmissile,bombingordnanceequipment.Wingoftheinternalspaceisusedtocollectgearorsomeofitsstructureandstorefuel.Especiallypassengeraircraft,inordertoguaranteethesafetyofthepassengers,manyoftheplanewasnotinthefuselagefuelstorage,andallthestorageinthewings.Inordertomaximizethewingsvolume,weightatthesametime,mostofthemodernaircraftwingtankusewingstructureisadoptedtoformthewholetank.Inadditionthewingsareinstalledinsidecontrolsystem,andsomesmallequipmentandaccessories.
Inthispaperisthetypeofairplanewings,thestressofthewing,anintegralpartofthestructureofthewing,Commonfailureformsandairplanewingbeamthewingoftherepairmethods.
KeyWords:
Wingtype,stressofthewing,structure,damageformsandrepairmethods.
目录
第1章飞机机翼的类型 1
第2章翼面结构设计要求 4
2.1气动要求 4
2.2质量要求 4
2.3刚度要求 4
2.4气动加热要求 4
2.5使用维修要求 5
第3章机翼的结构组成部分 6
4.1空气动力载荷 8
4.2其它部件、装载传来的集中载荷 8
4.3机翼结构的质量力 9
4.4机翼的总体受力 9
第五章机翼典型结构的传力分析 11
5.1空气动力的传递 11
5.1.1蒙皮将局部空气动力传给桁条和翼肋 11
5.1.2翼肋将载荷传给翼梁腹板和蒙皮 11
5.1.3蒙皮将翼肋传来的载荷传给机身 11
5.1.4翼梁将载荷传给机身隔框和缘条 12
5.1.5翼梁缘条传递腹板传来的载荷 12
5.3机翼结构中力的传递过程 13
第六章常见的破坏形式 14
6.1凹坑的特性 14
6.2划伤的特性 15
6.3雷击的特性 16
第七章机翼翼梁的修理 18
7.1缘条的贴补修理 18
7.2翼梁腹板的修理 19
7.2.1腹板裂纹的修理 19
7.2.2腹板孔洞的修理 20
7.2.3腹板切割修理 20
第八章展望 22
参考文献 23
致谢 24
第1章飞机机翼的类型
飞机的机翼一般是按机翼平面形状和按尾翼布局形式分的。
按机翼平面形状，飞机可分为平直翼飞机，梯形翼飞机，后掠翼飞机，三角翼飞机，变后掠翼飞机，前掠翼飞机，飞翼式飞机。
按尾翼布局形式，飞机可分为正常尾翼飞机和鸭式飞机。
平直翼:
机翼的1/4弦线后掠角大约在20°以下。
平直翼多用在亚音速飞机和部分超音速歼击机上。
在亚音速飞机上，展弦比为8～12左右,相对厚度为0.15～0.18。
在超音速飞机上,展弦比为3～4,相对厚度为0.03～0.04左右。
后掠翼:
机翼1/4弦线后掠角多在25°以上。
用于高亚音速飞机和超音速飞机。
高亚音速飞机后掠翼的常用参数范围是：
后掠角30°～35°，展弦比6～8，相对厚度约0.10，梢根比0.25～0.3。
对于超音速飞机，后掠角超过35°，展弦比3～4，相对厚度0.06～0.08，梢根比小于0.3。
三角翼:
机翼前缘后掠角约60°，后缘基本无后掠，俯视投影呈三角形状。
展弦比约为2，相对厚度0.03～0.05。
多用于超音速飞机，尤以无尾飞机采用最多。
改善机翼气动特性的措施超音速飞机常用的后掠和三角形薄机翼存在低速大迎角特性不好的缺点。
在机翼设计中，除适当选择外形参数外，还经常采用以下附加措施。
前掠翼:
前掠翼的结构受力形式后掠翼相同、并同后掠翼一样机翼根部区域的结构和承载方式与直机翼不同。
除单梁式机翼以外，与后掠翼结构受力形式比较，前掠翼结构受力形式中的前梁根部和靠近前梁根部壁板承受的载荷较大。
身前梁的加载是由于较长（刚度较小）后梁的卸载造成的。
鸭翼:
当然鸭翼只是指鸭式布局中座舱两侧有两个较小的三角（后掠翼）鸭式布局，是一种十分适合于超音速空战的气动布局。
早在二战前，前苏联已经发现如果将水平尾翼移到主翼之前的机头两侧，就可以用较小的翼面来达到同样的操纵效能，而且前翼和机翼可以同时产生升力，而不像水平尾翼那样，平衡俯仰力矩多数情况下会产生负升力。
1.1平直翼示意图
最简单的机翼是平直翼，机翼前后缘和机身垂直，机翼从里到外一样宽。
这样的机翼结构简单，制造容易，产生升力的效率较高，但阻力也较大。
升力的力臂使得翼根的受力很是不利。
为了均衡升力的分布，并改善机翼的受力设计和降低重量，平直翼可以带一点锥度，从里到外逐渐变窄，改善升力分布，是更多的升力产生在靠近翼根的部位，缩短力臂，降低翼根应力。
低速、简单的小飞机可以用简单平直翼以降低制造成本，但稍微有点追求的平直翼飞机大多带一定的锥度。
1.2鸭翼飞机示意图
鸭翼布局的主要优点是配平阻力比较小，具有较大的升阻比。
通常飞机增大迎角、增大升力时会产生低头力矩。
鸭翼处于飞机重心之前，增大机翼迎角和升力时，鸭翼出现正偏转，产生正升力（正常布局飞机平尾出现负偏转，产生负升力），用抬头力矩加以平衡，使全机升力增大。
为了获得预定的升力，飞机迎角就要小于正常布局飞机的迎角。
这使鸭翼布局飞机的配平阻力明显小于正常布局飞机而具有较大的升阻比。
另外，鸭翼布局可以用较小的机翼升力获得较大的全机升力，有利于减轻飞机的结构重量。
此外，由于鸭翼距飞机重心的距离较短，大迎角飞行时，鸭翼的迎角一般大于机翼的迎角，鸭翼首先出现气流分离，可产生低头力矩（称为卸载控制面），导致飞机低头，从而有效保证大迎角下抑制过度抬头的可控性，使鸭翼布局飞机不易失速，有利于飞行安全。
但是鸭翼布局使作为飞机主升力面的机翼承载能力得不到充分使用，使飞机的最大升力不及正常布局飞机大。
由于机翼后缘离飞机重心较远，当后缘襟翼放下较大的角度产生较大的低头力矩时会使鸭翼负担过重。
鸭翼布局飞机的起飞、着陆性能不如常规传统布局。
第2章翼面结构设计要求
2.1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。
2.2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。
2.3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。
2.4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。
2.5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零部件、燃油管路、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。
第3章机翼的结构组成部分
机翼通常是由翼梁、桁条、翼肋、蒙皮等构件组成，如图3.1所示。
图3.1机翼的结构组成示意图
蒙皮是构成并保持机翼形状不可缺少的结构元件。
[1]早期飞机上的布质蒙皮（蒙布）仅起维持外形的作用，机翼上的气动力通过蒙布的张力传递给机翼骨架。
随着飞机飞行速度的提高，气动载荷增大，蒙布因难以保持外形而渐被淘汰。
采用金属铝蒙皮后，开始用它与骨架一起作为主要受力构件，首先是用来传递扭矩载荷。
由于蒙皮沿机翼外廓分布，所以能提高机翼扭转刚度。
后来气动载荷进一步增大，要求提高机翼扭转刚度，蒙皮厚度不断增加,同时为了提高蒙皮的刚度又用桁条加强,因此蒙皮在承受机翼弯矩方面起越来越大的作用。
翼梁是最主要的纵向构件，它承受全部或大部分弯矩和剪力。
翼梁一般由凸缘、腹板和支柱构成。
凸缘通常由锻造铝合金或高强度合金钢制成，腹板用硬铝合金板材制成，与上下凸缘用螺钉或铆钉相连接。
凸缘和腹板组成工字型梁，承受由外载荷转化而成的弯矩和剪力。
纵樯与翼梁十分相像，二者的区别在于纵樯的凸缘很弱并且不与机身相连，其长度有时仅为翼展的一部分。
纵樯通常布置在机翼的前后缘部分，与上下蒙皮相连，形成封闭盒段，承受扭矩。
靠后缘的纵樯还可以悬挂襟翼和副翼。
桁条是用铝合金挤压或板材弯制而成，铆接在蒙皮内表面，支持蒙皮以提高其承载能力，并共同将气动力分布载荷传给翼肋。
翼肋又包括普通翼肋和加强翼肋。
普通翼肋的作用是将纵向骨架和蒙皮连成一体，把由蒙皮和桁条传来的空气动力载荷传递给翼梁，并保持翼剖面的形状。
加强翼肋就是承受有集中载荷的翼肋。
第4章机翼外载荷的特点
飞机机翼常受到气动力，机翼质量力，机身对机翼的支反力，以及发动机或者其他部件传递给它的载荷等这些常见载荷受力。
受力如图4.1所示。
其中气动力对飞机的飞行高度和飞行性能起到了决定性的作用。
[2]
图4.1机翼的外载荷
qa—空气动力分布载荷qc—机翼质量力分布载荷
P—发动机或其他部件传递集中载荷 R—机身支反力
4.1空气动力载荷
空气动力载荷aq是分布载荷，单位为Pa。
它可以是吸力或压力，直接作用在机翼表面上，形成机翼的升力和阻力，其中升力是机翼最主要的外载荷。
4.2其它部件、装载传来的集中载荷
机翼上连接有其它部件（如起落架、发动机）、副翼、襟翼等各类附翼和布置在机翼内、外的各种装载（如油箱、炸弹）。
除了在以翼盒作为整体油箱情况下燃油产生的是分布载荷外，由于这些部件、装载一般都是以有限的连接点与机翼主体结构相连，因此，不论是起落架传来的地面撞击力或副翼等翼面上的气动载荷，以及其上各部件、装载本身的质量力（包括重力和惯性力），都是通过接头，以集中载荷的形式传给机翼。
其中有些力的数值可能很大。
4.3机翼结构的质量力
机翼本身结构的质量力为分布载荷，其大小与分布情况取决于机翼结构质量的大小和分布规律。
它的数值比气动载荷要小得多。
在工程计算中，它的分布规律可近似认为与弦长成正比。
4.4机翼的总体受力
机翼的各种外载，总要在机翼、机身连接处，由机身提供支持力来平衡。
因此在上述载荷作用下，可把机翼看作是固定在机身上的一个“梁”。
当机翼分成两半，与机身在其左右两侧相连时，可把每半个机翼看作支持在机身上的悬臂梁；若左右机翼连成一个整体时，则可把它看作支持在机身上的双支点外伸梁。
这两种情况虽然在支持形式上有所不同，但对外翼结构来说，都可以看作悬臂梁。
前述各种外载在机翼结构中将引起相应的内力：
剪力Q、弯矩M和扭矩Mt，统称为机翼的总体受力，如图4-2所示。
图4-2 机翼上所受的力
因为机翼的升力很大，且作用在机翼刚度最小的方向上；而阻力相对于升力要小得多，且作用在机翼刚度最大的弦平面内。
因此在进行结构受力分析时，常着重考虑气动载荷沿垂直于弦平面的分量——升力引起的剪力和弯矩等。
第五章机翼典型结构的传力分析
5.1空气动力的传递
5.1.1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。
[3]
5.1.2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：
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。
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。
第六章常见的破坏形式
飞机机身及系统在遇到某些情况都会降低系统使用寿命并危及飞行安全。
如：
雷击、液压油/煤油/滑油的渗漏、飞机表面的脱漆、紧固件的松动、复合材料的损伤、鸟击、外来物击伤飞机外表、凹坑或划伤等。
6.1凹坑的特性
凹坑的定义：
凹坑是一种外形部件原始轮廓且部件的横截面积无法改变的结构性损伤。
引起凹坑的原因：
通常由外来物体碰撞引起。
如鸟击（如图6.1所示）、维修时的工具碰撞等。
凹坑对飞机的影响：
由于部件轮廓变化，会增加飞行阻力、降低飞行性能，造成飞机不正常的振动等，同时影响部件的抗疲劳性。
维护中对凹坑的要求：
凹坑短轴长度与深度之比应满足手册要求，无裂纹、无尖锐折痕、凹坑底部圆滑无尖锐压痕，凹坑处无紧固件或凹坑下部无其它内部结构件。
某些部位对凹坑深度有要求。
注：
凹坑一般发生在铝蒙皮上。
查阅SRM以准确了解各部位凹坑允许的限制值，一般是不相同的
图6.1鸟击形成的凹坑
6.2划伤的特性
划伤常常发生在机身外蒙皮上，一般不超过蒙皮厚度10%的划伤都是允许的，但允许的划伤都必须立即打磨掉，打磨后按需更换打磨区域内的紧固件并恢复表面处理。
划痕深度一定要在去除漆层后测量金属蒙皮上的划痕深度。
曾经发生过报告有划痕，但后来发现划痕仅仅发生在漆层。
注：
在飞机上发现划伤后，一般查阅SRM以准确对划伤的处理方案，并了解各部位不同的允许限制值。
通常需要获取损伤结构或构件的材料、厚度、允许损伤容限及修理方案。
图6.2为划伤划痕
6.3雷击的特性
一般发生在复合材料上，金属铝蒙皮的紧固件孔处也时有雷击发生，无紧固件区域的铝蒙皮雷击较罕见。
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