北京航空航天大学毕业设计论文模板.docx
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单位代码10006
学号
1分类号V211
毕业设计（论文）
毕设题目
学院名称
专业名称
学生姓名
指导教师
2017年6月
北京航空航天大学
本科生毕业设计（论文）任务书
Ⅰ、毕业设计（论文）题目：
Ⅱ、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：
Ⅲ、毕业设计（论文）工作内容：
Ⅳ、主要参考资料：
[1]
[2]
[3].
[5]
学院专业类班
学生
毕业设计（论文）时间：
2016年12月日至20年月日
答辩时间：
201年月日
成绩：
指导教师：
兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分）：
系（教研室）主任（签字）：
北京航空航天大学毕业设计（论文）第VI页
本人声明
我声明，本论文及其研究工作是有本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
作者：
签字：
时间：
2013年6月
梦想一号公务机气动特性分析
学生：
指导教师：
摘要
飞机在飞行过程中受到各种载荷的作用，其中影响飞机结构强度的载荷主要是飞机飞行中的空气动力、发动机推力、质量力以及着陆时的地面冲击力。
所以对设计的公务机进行载荷方面的计算是非常有必要的。
本毕业设计针对公务机的飞行状态以及公务机受到的载荷进行全面的了解并进行分析计算。
飞机的静气动弹性问题出现在飞机设计的早期，设计一架飞机需要对其进行静气动弹性分析，计算出其发散速度。
在飞机的气动弹性问题中，颤振问题占有举足轻重的地位，需要对飞机的颤振速度进行计算以确定飞机的安全飞行。
本次毕业设计需要对飞机的发散和颤振进行详细了解，计算出颤振速度和发散速度，进行全面校核。
关键词：
公务机，载荷，气动弹性，发散，颤振
Aerodynamiccharacteristicsanalysisof“DreamNO.1”
corporateaircraft
Author:
MaJun
Tutor:
HeJing-wu
Abstract
Aircraftinflightprocessisundertheeffectofdifferentkindsofload.Whichaffectthestructuralstrengthoftheplaneloadmainlyaretheaerodynamicforce,enginethrust,qualityandlandinggroundimpact.Sothedesignofexecutiveonloadcalculationisnecessary.ThegraduationprojectisaimedtomakeacomprehensiveunderstandingandAccuratecalculationandanalysisofthecorporateaircraft
Theaircraft'sstaticaeroelasticityproblemsappearedintheearlydaysoftheplanedesign,designaplaneneedastaticaeroelasticityanalysis,calculatethedivergencespeed.Astotheaircraftaeroelasticity,flutterproblemoccupiesanimportantposition.Aircraftflutterspeedneedtobecalculatedtoguaranteethesafetyoftheaircraftflight.Thisgraduateprojectisgoingtoknowabouttheaircraftflutterindetail,calculatetheflutterspeed,andmakeacomprehensivecheck.
Keywords:
Corporateaircraft,Load,Aerodynamicelasticity,DivergenceandFlutter
目录
1绪论 1
1.1课题背景和目的 1
1.1.1国内商务机基本情况 1
1.1.2中国公务机发展的制约因素 3
1.1.3气动分析 5
1.1.4课题目的 5
1.2国内外研究状况 6
1.3课题研究方法 6
1.4论文的构成以及研究内容 6
2飞行载荷的计算 8
2.1飞行载荷计算用到的主要计算数据 8
2.2飞机机翼半翼展展向升力系数分布 8
2.2.1理论分析 8
2.2.2本机计算：
巡航状态 10
2.3沿机翼展向压力中心线的确定 13
2.3.1压力中心确定的一般方法 13
2.3.2本机机翼压力中心线的确定 14
2.4弦向载荷分布 15
2.5飞行包线的确定 17
2.5.1过载系数n 17
2.5.2飞机受载包线的确定 17
2.6危险工况分析 23
2.6.1“A情况”的计算分析 23
3发散速度的计算 31
3.1静气弹基本概念 31
3.2气动弹性力学的扭转发散基本原理 31
3.3气动弹性静力问题分析的基本方程 33
3.4大展弦比后掠机翼静气动弹性基本方程 33
3.5机翼发散的计算与分析 34
3.6本公务机的发散速度的计算分析 35
3.6.1翼剖面剪心相对位置的简化计算分析 35
3.6.2梦想一号机翼的发散速度计算 38
4颤振的计算分析 43
4.1颤振概念的理解 43
4.2弯扭颤振的现象以及物理本质 43
4.2.1物理现象 43
4.2.2物理本质 44
4.5Nastran颤振分析 47
4.5.1结构模型 47
4.5.2气动模型 49
4.5.3求解分析 49
4.5.4颤振速度分析 51
毕业设计总结 53
致谢 56
参考文献 58
附录 59
北京航空航天大学毕业设计（论文）第65页
1绪论
1.1课题背景和目的
1.1.1国内商务机基本情况
公务机是在行政事务和商务活动中使用的交通工具，亦称行政机或商务飞机。
公务机一般为9吨以下的小型飞机，可乘4至10人;但有的地方把总统、国王、皇室成员专用的要人专机也列入通用航空范围，这时波音747这样的大型飞机也可以列入公务机行列了。
在一般人的概念中，公务机就是私人小飞机，但这样理解并不全面，在国外的确有许多私人拥有飞机，但那多是单引擎活塞式螺旋桨小飞机，并不属于公务机的范畴内。
通常意义上公务机是指4座以上，采用喷气式或涡浆式为动力的飞机。
据空客公司客户事务首席运营官雷义透露，空客公务机在内地有三个细分市场：
政府、企业包机和航空公司以及富裕人群。
实际上，内地最早的公务机消费群是来自世界500强的在华企业，1995年左右，壳牌等海外石油巨头因为要到内地偏远地区开展业务，经常会使用公务机，但海外公务机到内地会遇上空中管制等诸多问题难以起飞，他们不得不租用境内的飞机。
海南航空在当时引进两架庞巴迪里尔公务机从事租赁业务，严格意义上说，这是最早进入内地的公务机。
据民航局统计，2011年底，中国内地公务机机队规模为109架，比2010年增长45.3%。
截至今年上半年，我国公务机数量已达到120架，半年内增速达11%。
据预测，未来10年将是中国公务航空高速发展的主要阶段，公务机数量有望达到1000架左右，然而，飞行员短缺瓶颈不破，公务机行业很难真正起飞。
数据显示，国内的飞行学校和培训机构每年培训的飞行员只有1200至1300人，只能满足市场需求的一半，其中的通用航空飞行员不超过50人。
按此估算，未来5年，中国通用航空飞行员的缺口约为3000至4000人。
虽说前景光明，但目前公务机在中国内地的数量还非常少。
一位业内专家告诉记者，目前中国内地对于公务机的定义略显模糊。
一般说来，双台发动机由专业飞行员飞行的飞机就可以称做公务机，这些飞机用途广泛，如果按这一定义算，中国内地大约拥有110架公务机。
不过也有人将上述定义中的用于客运的飞机称为公务机，这样算来中国仅有42架。
全球3万多架公务机，美国有1.5万架、巴西有2000多架。
在西方国家，私人拥有商务机并不是少见的，但在中国，拥有私人的商务飞机毕竟是少数，至今为止在中国只有十几位企业家购买了私人商务机。
特别是对东北辽沈地区的企业家来说，是渴望而不可及的梦想。
中国地区具有巨大的潜在市场购买能力。
一般的商务飞机都要几千万元，购机后，运营成本则会有几十万元左右，再加上基本的起降费、机务维护费用、使用和维护成本包括更换零件、油料、空管费、航路费及驾驶员、清洁等服务工资费用等，一架飞机一年下来要花大几百万的人民币。
这使得不具备相当经济实力的企业家根本不敢奢望拥有自己的私人飞机，购买者得至少拥有过亿的资产。
不过，商务机的购买对象并非仅限于企业家，随着我国近两年航空业的放开，各地相继成立了合资航空公司，对于这些主营业务大多盯住直线通用飞机，尤其是靠出租“空中的士”开展业务的航空公司，购买商务飞机的潜在可能巨大，但也还是有企业为展示雄厚实力，自购商务飞机或直升机。
远大空调、春兰电器、海尔电子等企业均拥有私人飞机。
从远大空调购买飞机首开先河引起轰动至今，企业家购买私人飞机已经不再新鲜。
有关部门预测，未来600米以下的空域实行严格限制，私人飞机若是跨地区飞行，飞行计划申报涉及环节非常复杂，一般要提前一个星期申请航线。
业内人士认为，随着经济发展和人民生活水平的提高，适当开放空域是必然趋势。
目前中国国家名航总局正在酝酿在东北地区以及珠江三角洲底气试点开放对3000米以下低空的空中管制。
一旦该政策出台，那么将极大地刺激东北地区私人商务飞机的购买需求。
中国的公务机是从1995年海南航空集团开始经营公务机包机开始的。
公务机对大多数中国人来说还是一种比较新的概念，单独与一些发达国家来说使用公务机是他们日常生活中不可分割的一部分。
在“财富”杂志评出的世界500强企业中，三分之二的公司拥有自己的公务机。
在民航运营业发达的今天，公务机之所以受到青睐，尤其独特的优势。
1个人防护
公务机能够完全控制航程安排，乘客名单，飞机的维护计划以及指定飞行员，从而避免了一些不可预见的潜在危险；而航班飞机乘客情况远为复杂，一旦有突发事件发生，事态会超出控制之外。
2特有的税收优越性
根据相关资料显示，中国企业购买新的100吨以下的小飞机，折旧率将以直线法按照8至10年的周期计算。
那么，一家公务机每年的折旧额将高达几十至几百万美元，从而可以为盈利的企业节省几十至几百万元的所得税。
而实际上公务机的贬值却很低，有时甚至还可以略微增值。
这就是为什么购买公务机可以帮企业“省钱”的道理。
3高效省时
乘坐公务机的客户可以指定起降时间、地点、乘坐手续简单，不用候机。
客舱内有先进的卫星电话，电脑网络接口，传真等完善的办公设施，是真正的“空中办公室”。
可以最大限度地用好公司最重要的财富——时间和人力资源。
4优异的生产力和效率
调差显示，公务人员乘公务机时的效率比他们在办公室工作时还要高出许多。
乘坐公务机的员工之间积极有效的合作比乘坐民航机时高出近8倍之多。
并且，员工在乘坐民航机时休息或者阅读与工作无关材料的几率比在公务机上高出三倍。
5旅行的灵活性
公务机不收定期航班时间和航线的限制，客户甚至可以在飞行途中改变目的地。
6安全可靠
无论从飞机本身的质量，维护水平，还是飞行安全记录来看，公务机是目前世界上最安全的一种交通工具。
全世界公务航空的权威组织，美国公务航空协会（NBAA）的同级数字表明，1995-2003年公务机的平均事故率是每10万飞行小时0.152次，同期的航班飞行事故率为每10万飞行小时0.279次。
7舒适性
中央酒吧，高级洗手间，真皮全方位可调座椅以及高保真音响，DVD等高几娱乐设施。
乘坐这样的公务机旅行是工作，也是休息，更是享受。
8秘密性
保护商业机密和各人隐私。
公务航空减少了旅行的可视性，减少了非期望或非必要的谈话，可以确保公务机人员本身以及随身携带的敏感信息的安全，免去被窃听的烦恼。
1.1.2中国公务机发展的制约因素
中国公务机市场还有诸多制约因素和壁垒，包括基础设施建设、运行的规章标准体系，以及空域和飞行员资源紧缺等问题，如中国内地目前能专门提供公务机地面服务的机场只有北京首都机场、上海虹桥机场和深圳机场三个，基础设施也才刚刚起步。
此外，中国内地公务机的管理还在沿用传统的民航管理手段，缺乏真正的通航特性化管理，管制还比较严，航线和飞行申请比较烦琐，这些都还是中国公务机市场发展的制约因素。
中国公务机用户的消费理念也还很不成熟，远未形成正确和高效的消费观念。
在中国，很多人把公务机等同私人飞机，又把私人飞机视同为奢侈品。
对此，波音公务机销售总监李兵则有不同的看法，“其实，公务机本质上是交通工具，跟民航相比，它的优势在於灵活性、便捷性、私密性和高效率，随着中国经济的发展，中国公务机市场迅猛发展的趋势是毫无疑问的。
”
拥有一架公务机，可不像拥有一辆私家车一样简单。
天高任鸟飞，公务机在中国却不是想飞就能飞的。
首先是中国的机场数量。
与美国19000多个大大小小的机场相比，中国至今只有数百个机场，每年虽然有4-5个新建机场，但速度和数量仍然跟不上快速膨胀的公务机市场需求。
以美国洛杉矶的八个国际机场为例，其中只有一个是供定期航班使用的，其他七个均为公务机机场。
而相比之下，上海的两个国际机场中，只有虹桥开放了部分区域，供公务机使用。
另一个制约公务机发展的因素，是中国大陆的公务机候机楼。
“在香港，从到达机场，到关上机舱，只需要5分钟。
而在大陆，虽然比定期航班便捷许多，但仍然需要提前半小时到达机场。
”香港商务航空（HongkongJet）的行政总裁林烈风（ChrisBuchholz）表示：
“关键是候机楼缺乏盈利渠道。
”
公务机服务中心是候机楼的核心，为公务机飞行提供相关服务，包括燃油、维修、地面代理等。
在香港、澳门以及国外机场中，服务中心主要靠提供燃油赚钱，而中国的飞机燃油，主要由中石油、中石化等企业垄断，服务中心没有权利向公务机提供燃油，因此也无利可图。
如今北京、上海、深圳拥有屈指可数的三个公务机候机楼，事实上并不能够提供公务机飞行所需的全部服务，同时为了保持收支平衡，服务中心不得不收取高额的地面代理费用。
然而，公务机发展最大的障碍，在于空域管制。
中国的空域由军方掌握，因此每一次起飞、降落及飞行经过的空域都需要向军方申请飞行计划许可，国内主要航线的申请周期，大多为1-3天，相比从前的7-8天已大幅缩短。
国际航线根据飞行目的地的不同，变化较大。
香港、东南亚的申请手续相对便捷，24小时内可完成。
而在美国，由于空域大部分属于民用，公务机飞行只需提前二十分钟电话通知即可。
相比之下，中国的民航总局只能得到个别空域的飞行权利，总体上仍需要配合军方调控。
在定期航班上经常听到的“流量控制”、“航空管制”也是源于此。
飞机在飞行中必须遵循固定的“航路”，其形状犹如一根管道，管道外的区域由军方控制，不能随意飞行。
这一切看上去非常矛盾，一方面中国的公务机需求持续上升，而另一方面航空管制依旧严格。
1.1.3气动分析
1飞行器的外载荷和设计情况
在使用和运输过程中。
飞行器的外载荷是指飞行器在空中和地面运行、起飞、着陆以及运输和装卸工程中，机体结构所承受外力的总称。
外载荷的大小和性质取决于飞行器类别、飞行性能、外形的气动特性、飞行器质量、起落特性和使用情况等。
飞行器结构在使用和运输过程中应能承受作用在机体上的外载荷。
为了是飞行器结构在整个使用过程中，既能安全可靠地工作，又使结构质量最轻，在结构设计前必须正确的确定外载荷。
因此，飞行器的外载荷机翼相关的前度规范是结构设计和强度设计的重要依据。
2气动弹性
气动弹性问题一直是飞行器设计中备受关注的重要问题，在未来飞行器设计中仍占有重要的地位。
现代飞行器设计日益追求高速度、高机动性，使得飞行器越来越呈现出轻结构和大柔性的特点，相应的气动弹性问题也越来越突出，特别是结构的非线性、非定常空气动力的非线性给飞行器的气动弹性问题带来了巨大挑战。
近些年来，非线性气动弹性力学的发展，主动气动弹性机翼以及基于功能材料的自适应机翼等新技术的出现，标志着经典的气动弹性力学正沿着非线性和多学科交叉的方向发展。
1.1.4课题目的
根据教研室的课题《梦想一号公务机设计》，本文负责其中《梦想一号公务机气动特性分析》。
诣在计算出某一工况下飞机机翼受力情况以及该公务机的发散速度情况和颤振速度情况，并给出合理化的建议。
通过这个毕业设计熟悉自己所学知识，应用自己所学知识。
并且在毕业设计的整个过程中能够学到一些新的知识新的处理问题的方法。
学会解决一个课题的处理程序。
最后给出结果报告。
1.2国内外研究状况
飞行载荷这一块国内外都比较成熟，都有编写好的手册供查询，大部分是根据理论公式加以实际情况进行修改的经验公式，根据经验公式进行计算，算出相应载荷大小，然后传给强度组进行强度校核。
气动弹性力学概念是在20世纪30年代首先由航空工程师提出来的，它概括的表达了实践中遇到的各种工程科学问题。
其中关于颤振问题的研究已经有七八十年的历史了，但现代飞机并没有完全摆脱颤振问题的困扰。
近年来，国际上出现的主动气动弹性机翼以及自适应机翼等新技术给经典的气动弹性力学赋予了新的内涵。
由于计算机的出现，诞生了许多气动力计算方法，一些亚音速和超音速非定常气动力计算方法应运而生。
20世纪50年代后，随着飞机设计的需要，基于线化理论的三维亚音速非定常气动力计算被提上了日程。
50年代中期Watkins提出了计算亚音速三维谐震荡非定常空气动力的核函数法。
Albano等人在60年代末又提出计算三维亚音速谐振荡非定常空气动力的偶极子网格法。
大型通用软件包MSC.Nastran中的气动弹性模块就包含了偶极子网格模型。
进入70年代，计算机技术进一步发展。
1.3课题研究方法
1利用环量导致的下洗推导出环量积分—微分方程，根据片条理论简化计算机翼展向环量分布，有环量分布计算推导出机翼展向升力系数分布，切面升力分布，弦向升力系数分布，利用空气动力学公式计算压力中心位置，气动中心位置等。
利用片条理论加上合理的线化简化，求解某一危险工况下的机翼翼根弯矩大小。
2发散问题根据《气动弹性设计基础》等参考资料提供的理论公式，利用片条理论，结合相关力学公式进行计算。
颤振问题的求解是借助MSC的Patran和Nastran来实现，求解颤振行列式，导出结果文件，通过绘制V-g图来求得颤振速度。
1.4论文的构成以及研究内容
1公务机载荷分析
确定载荷装填
选定某一工况进行载荷分析
2气弹分析
发散理论分析
计算发散速度
颤振理论分析
建立颤振结构模型和气动模型
计算颤振速度
2飞行载荷的计算
2.1飞行载荷计算用到的主要计算数
升级会员 