基于静强度准则的飞机零部件设计概述

基于静强度准则的飞机零部件设计概述

摘要 在静强度准则下，从安全系数选取、结构等效简化分析及选材原则等方面对飞机零部件设计情况进行了阐述。

关键词 零部件设计；静强度；载荷；重量

前言

飞机结构设计是一项全面复杂的工程，需要全面考虑静强度、疲劳强度、破损-安全要求、损伤容限和经济成本影响等情况，通过选择结构布局形式和材料获得一个最终的设计优化方案。满足静强度是飞机结构设计最基本的要求，在此主要从静强度（其设计准则为在使用载荷下，结构应力应不大于材料的许用屈服应力或局部失稳临界应力；在设计载荷下，结构应力应不大于材料的许用破坏应力或总体失稳临界应力）方面探讨飞机结构的零部件设计。

1 安全系数的选取

零部件设计时，首先需要了解结构的受载形式和载荷大小。除了为其他的目的而被指定为极限载荷的那些载荷之外，所有由载荷部门提供的载荷都是限制载荷（又称使用载荷）（它们是飞机机构上的最大载荷，非极限载荷）。极限载荷（又称设计载荷）是限制载荷乘以1.5倍的安全系数（《军用飞机强度和剛度规范》规定安全系数f通常取1.5，对于要求增大安全性和刚度或有其他特殊要求时，安全系数可适当放大），是用于应力分析的载荷。1.5倍的安全系数是为了考虑以下部分或全部因素的影响。

（1）载荷的不确定性；

（2）结构分析中的误差；

（3）材料强度的变化；

（4）服役期内性能的退化；

（5）相同构件的制造偏差。

由此可见，安全系数标志着现时的设计水平，包括材料水平、工艺水平以及设计和分析的技术水平。一个优秀的飞机零部件设计，很重要的一个因素就是其结构重量最轻，这就要求取尽可能小的安全系数，但保证飞机的安全又至关重要，这就必须有足够大的安全系数。这一对矛盾最终统一在相关的规范中。

另外，对有特殊要求或在特殊化境下工作的结构部位（如重要受力接头等），应乘以附加安全系数。

2 结构等效简化分析

通常，飞机结构大都是静不定结构，如典型的机翼盒形梁、蒙皮-桁条壁板、开口等结构，需要使用计算机对其进行分析。如果要设计有等尺寸等间距长桁的简单结构，采用一些分析方法可以大大简化结构初步尺寸设计问题的求解。在初步尺寸设计过程中，分析方法或所要分析的结构两者中简化其中任何一个，就会提高设计的成本效益。具体方法如下：

（1）结构类型——如机翼盒形梁可以看成具有平行剪切腹板的矩形截面，且该截面有一个垂直对称面；

（2）集成长桁——将相邻的桁条组合在一起形成所谓的“集成长桁”，这样可以减少数量太多所带来的复杂性；

（3）载荷形式——从临界或主要的轴向载荷（由弯曲引起）、剪流（由垂直剪力或扭矩引起）或者横向载荷（由外部气动载荷或集中力引起）中选择其中一个来进行尺寸设计；

（4）应力分布的控制——获得主要或者关键的应力分布，而忽略细节应力。

通过上述简化或近似的方法，就可以在进行详细尺寸设计（结构零件应力分析）之前，快速而又相当精确（误差可能在10%以下）地给出飞机初步设计阶段的结构尺寸。当然，结构设计还可以参考已有的飞机结构或与所提议型号相类似的飞机结构，使用相关设计指南、设计手册等参考资料中的数据。

有了等效简化结构，就可以根据初步载荷对该结构做出分析，了解该结构的承载能力，是否能够满足静强度要求。虽然结构设计所作的应力分析不是精确求解，但却可以得到很好的近似结果，不会导致有较大的偏差，以至于重新考虑结构布局。

3 零部件设计选材原则

实际上，飞机零部件尺寸设计有时会受空间限制导致零部件无法设计成最优的承载形式，会有很多冗余结构，从而增加飞机重量。此时，可以选用更高强度材料来满足静强度要求。例如，飞机操纵系统零部件大多需要协调机体的结构尺寸。通常，飞机零部件设计选材要考虑以下方面：

（1）使用特性——部件主要载荷形式和使用环境的要求；

（2）主要设计要求——满足使用特性的最重要的设计性能。

而特性条件下满足静强度要求需要从以下几个方面考虑：

（1）材料的基准值（包括A基准值、B基准值和S基准值）；

（2）拉伸强度极限；

（3）屈服强度极限；

（4）剪切强度极限；

（5）挤压强度极限和挤压屈服极限；

（6）材料的弹性模量等。

事实上，结构设计时不能单纯以材料强度大小选择材料，还应综合考虑材料的耐久性和损伤容限及使用性等方面的因素。不过，在各种设计条件中，最为重要的条件是结构应有足够的强度。一般来说，除强度之外，上述所列的其他方面不是必须考虑的条件，而强度则是必须要考虑的。

因此，当结构的外形尺寸和强度给定之后，设计的首要目标是所设计的重量最轻，以机翼为例，在机翼尺寸、受力形式、载荷及寿命已给定的情况下，可采取设计和工艺的综合措施来减小机翼的重量，主要有以下几个方面：

（1）应用精确的计算方法以减小不必要的储备；

（2）提高机翼薄壁受力构件的应力水平（主要是失稳临界应力）和刚度；

（3）应用镁合金、塑料、玻璃钢的体积密度小的材料只在机翼非受力构件；

（4）减少零件和接头；

（5）对翼盒壁板及其他受力构件进行表面强化处理，如喷丸；

（6）消除构造的工艺裕量的质量，如应用化学铣切。

5 结束语

本文基于静强度设计准则对飞机零部件设计中需注意的强度问题及初步应力分析进了探讨，为飞机结构设计提供参考。