有人知道飞机的结构是什么吗?

研究飞机结构在载荷和环境下的应力、变形、稳定性和合理性的学科,也叫飞机结构理论,有时也叫飞机强度。飞机结构力学是固体力学理论应用于飞机结构的一个分支,是飞机结构设计的重要理论基础。

飞机的结构力学的基本原理也适用于其他飞机,其基础学科有静力学、桥梁力学、结构稳定性理论、板壳力学、计算力学等。但是各种飞行器,尤其是飞船和火箭,也有自己特殊的结构问题。飞机经典结构力学按结构类型可分为杆结构力学和薄壁结构力学。

[编辑此段]杆系结构力学

在杆系结构中,飞机的结构力学与一般结构(如桥梁、建筑)的力学基本一致,讨论的是静、超静定结构。解决问题的途径是满足静平衡和变形协调的条件;最小能量法可用于求解超静定结构问题,以简化问题。在杆系结构力学的早期阶段,存在着梁柱、扭转和稳定等问题。

梁和柱同时承受弯曲和压力的构件。这种杆件在侧向力的作用下产生弯曲挠度,使轴向压力产生附加弯矩,进而增大侧向弯曲。因此,有必要考虑侧向力和轴向压力的共同作用,找出设计使用的真实弯矩。

在扭转初期,梁翼主要承受扭矩,梁具有非圆形实心截面,因此扭转刚度往往不足,成为突出问题。实心截面梁轴在扭转作用下的应力和变形,大多是由弹性力学中的薄膜模拟试验结果来计算的,比材料力学计算的结果更准确。

稳定杆系结构的稳定性问题主要是直柱的屈曲,包括弹性支承、弯扭失稳等复杂问题。

[编辑此段]薄壁结构力学

在薄壁结构中,杆主要受轴向力,板主要受剪力。基本问题是扭转、剪力滞、屈曲、有效宽度、张力场和压力室。

扭转闭合截面薄壁结构具有很大的抗扭刚度,广泛应用于飞机结构中。薄壁结构或单封闭腔截面薄壁管在扭矩作用下单位长度的剪应力τ和相对扭转角θ分别为:

t = t/2在θ=TS/4A^2Gt

其中t为扭矩,a为薄壁中心线围成的面积,t为管壁厚度,g为材料的剪切模量,s为薄壁中心线的周长。

具有剪力滞的薄壁结构剪切变形较大,工程梁理论中的平截面假设往往不再正确。当翼剖面向翼根随机移动时,箱梁中部桁架正应力的增加滞后于翼梁处翼缘正应力的增加。

薄壁结构的屈曲有多种形式。除简单拉伸外,不存在屈曲问题。薄板在板的中平面内受压缩和剪切,薄壁梁受弯曲和扭转,薄壁壳受外压。圆柱体在轴向压力下的抗屈曲能力比平板高得多。经典理论的结果是在圆柱体具有理想几何形状的假设下得到的。实际上,由于初始缺陷和边缘条件的影响,实验值远低于理论值。

有效宽度的板在屈曲后能继续承受轴向压力。由于支座的限制,靠近纵梁或翼缘的薄板不能自由凹凸,所以能有效承受轴向压力,而远离两侧支座的薄板可以自由凹凸,几乎不能承受轴向压力。一般认为,有效宽度内的薄板将承受与其相连的长桁的轴向压缩,直到组合直柱再次达到其临界载荷,结构最终被破坏。有效宽度以外的薄板可以认为不再受力。有效宽度的经验公式为:

be=1.9(√E/σ)t

其中e是材料的弹性模量,σ是轴向压力。Be ≈ (30 ~ 40) t可用于常用铝合金。也就是说,薄壁在失稳时并没有被破坏,而是应力分布发生了变化,整个结构继续承受荷载,直至整个结构被破坏。

张力场梁的腹板在剪切失稳后可以继续承受载荷。此时应力模式变为沿波纹峰谷方向的斜向拉伸,薄板梁成为桁架结构,称为张力场梁。

在张力场梁中,上缘条和下缘条作为桁架的一部分承受水平拉压,还作为连续梁承受来自腹板的向心拉力。纸幅张力的极限值是材料的屈服强度。

压力室承受内外压差P时产生的纵向和周向薄膜应力TL和Th可根据正常平衡条件获得:

Th/Rh=TL/rL=P

其中rh和rL分别是座舱沿圆周方向和纵向的主曲率半径。

座舱有窗孔或门孔时,通常会对孔的周边进行加固,使远离孔边的膜应力尽量不发生变化,即孔边的加固刚好可以代替孔挖的部分。这个洞叫做中性洞。过分加强孔边不一定有利,况且中性孔也不是唯一的设计措施。

发展趋势随着飞机结构的变化和应用计算机技术的现代计算力学的发展,飞机结构力学的内容也在不断发展和更新。有限元方法已广泛应用于飞机和其他飞行器的结构分析中,为复杂的结构分析提供了快速、准确的手段,许多过去在结构力学中被认为难以解决的超静定问题得到了解决。在飞机结构力学的早期,静力学占主导地位。飞机事故分析向结构力学提出了一系列课题,如气动弹性、疲劳与断裂、热强度等。这些原本属于飞机结构力学的学科,逐渐发展成为独立的分支。此外,还出现了一些新的分支,如最优化方法、复合材料力学和统计结构力学。