機翼結構設計

機翼結構設計，即根據飛機總體設計階段所提供的依據，設計出能滿足各項要求的具體機翼結構的一種設計技術方法。機翼結構設計除應滿足對飛機結構設計的基本要求外，機翼的功能、載荷和外形特徵等也是設計過程中需要考慮的。

基本介紹

• 中文名：機翼結構設計
• 外文名：Wing structure design
• 性質：一種設計技術方法
• 影響因素：飛機基本要求、機翼功能等
• 設計依據：飛機類型、機翼氣動布局
• 設計內容：打樣設計、詳細設計

機翼結構設計的原始依據

結構設計的任務是根據飛機總體設計階段所提供的依據，設計出能滿足各項要求的具體機翼結構。

機翼結構設計的原始依據

(1)根據飛機類型和性能，由總體設計給出有關的全機主要參數：如翼載P=G/S(G為起飛重量)，機翼面積S，機翼最大過載係數以等，這些參數與機翼外載的大小直接有關。

(2)機翼的氣動布局，包括機翼的外形參數和機翼一機身的相對位置等。外形參數主要有展弦比λ、機翼展長L，翼型相對厚度c、後掠角χ和根梢比η。一般說λ小、η和c大，有利於減輕機翼的結構重量。後掠機翼的z越大，則機翼的彎曲剛度、扭轉剛度與減輕重量之間的矛盾將越大。而就三角機翼而言，雖然χ大，但因為λ小、η大，因而它的結構剛度較之後掠翼大為改善，特別是根部。但正由於η大，且c一般較小，所以在翼尖區和前、後緣都比較薄，然而三角機翼這些部位的氣動載荷都比較大，因此設計中要注意提高這些區域的剛度。

由總體設計所決定的機翼一機身相對位置，如上單翼、中單翼還是下單翼，機翼能否以某種形式貫通機身，還是分成兩半在機身側邊與機身連線；以及機翼一機身是用幾個接頭固接或鉸接等也與機翼的結構設計直接有關。

由上述可知外形不同的機翼在氣動載荷以及結構強度、剛度等方面有不同的特點，幾何參數和布局對機翼的結構型式選擇、受力構件的布置均會產生影響。

(3)機翼的內部布置。為了提高結構效率、充分利用機翼空間，現代飛機的機翼內一般都利用機翼本身結構布置機翼整體結構油箱，為此在結構中要解決一些特殊問題。此外機翼上是否需固定、收藏起落架，有否安裝發動機或其他外掛，以及與前、後緣活動面的連線關係等，都會對機翼受力構件的布置產生直接影響。

設計要求

在結構設計階段，著重要解決好結構完整性一重量的矛盾，結構完整性則是建立在強度、剛度(氣動彈性)、損傷容限和耐久性等多項設計準則的基礎上的。因此可以說安全、減重、增壽、經濟性是飛機結構設計的主要指標。從目前來看，飛機結構重量占全機重量的比值，以可作全部機動的殲擊機為例，大致為0.30~0.35，其中機翼、尾翼與操縱面三者的結構總重又占相當比例，一些大型旅客機可接近一半。現代飛機的使用壽命長，一般旅客機為60 000小時。目前還在為使上述各指標達到更先進的水平麗努力。為此，主要的辦法是在設計工作中採用先進的、更為精確的分析方法、計算機輔助和最佳化設計等先進設計技術和先進的試驗技術，不斷發展並套用新材料、新結構、新工藝等。通過多種途徑，不斷提高結構設計的水平。

設計內容

機翼結構設計基本上可分為兩個階段，即打樣設計和詳細設計(也稱工作設計)。對強度、剛度、損傷容限、耐久性等設計準則的綜合考慮應貫穿在整個設計工作中，(其中損傷容限、耐久性兩項也可改用損傷容限、疲勞配套方案，視不同型號的具體要求而定)，只是在兩個階段中側重點和深度、細化程度有所不同。

打樣設計

在該階段首先要確定機翼的結構型式、結構布局(即受力構件布置)，選擇分離面以及初步確定主要構件的剖面尺寸等。以上工作主要在強度、剛度和損傷容限基礎上進行，之後按耐久性設計要求，對一些重要的細節部位，特別是各重要承力構件之間的連線區進行耐久性打樣設計。此外還要進行機翼蒙皮的分塊，備構件間的協調及連線形式的確定，維護檢查口蓋位置、大小的確定等等。在進行這些工作時，除考慮上述各設計準則外，還必須注意綜合考慮結構本身的工藝性以及內部各種裝載物、管道、電纜、附屬檔案等系統的位置協調和使用維護要求。最後把總體協調的結果繪在打樣圖上。並根據梁、翼肋和桁條的布置結果。，詳細繪製出機翼的結構理論圖。

需要指出的是，上述有些工作是和飛機總體設計工作同時進行的。機翼結構型式和布局的確定必須在總體部位安排時，綜合機翼、機身的情況，協同考慮。如美國的F-4殲擊機曾論證了75種機翼平面形狀及機翼、機身的相對位置和連線關係，最後才確定出現在的這一種方案。在論證過程中，對每一種方案均考慮了它在結構上實施的可能性和優、缺點。總之不少工作往往需要經過多次的反覆協調才能完成。

作為損傷容限、耐久性設計，在本階段主要從材料的初步選擇、應力水平控制、結構布局和細節設計四個因素考慮。然後確定關鍵件，對關鍵件和重要細節進行初步分析，必要時還需配以一定的研究試驗。一般也總要經過設計修改，才能最後完成打樣設計。

詳細設計(工作設計)

進行機翼各結構元件如壁板(包括蒙皮、長桁)、梁、肋的結構設計。根據它們各自所受的載荷和協調條件，選擇各元件的結構形式，合理地選擇材料，確定其幾何尺寸並選定構件間的連線方式。並對機翼結構進行強度、剛度校核計算、顫振校核等工作。

損傷容限、耐久性設計應對打樣設計結果進一步深化、細化，除對結構件的總體尺寸和局部細節尺寸精確確定外，還要根據損傷容限和耐久性設計要求，對公差、表面粗糙度、表面處理及特殊加工工藝等進行精確控制。

結構分析人員則要進行更為深入細緻的損傷容限、耐久性分析，完成必要的試驗，並給出檢查周期和經濟壽命。

最後設計若已滿足各項設計要求，即可發出全部生產圖紙。