飛機結構的一般要求及主要的結構材料

2022-08-22 21:24:03 字數 3072 閱讀 5889

飛機結構的一般要求

與其它型別結構相比,飛機結構有其特殊性。首先,對重量特別敏感—飛機本身的重量必須盡可能輕,以便多裝人員、貨物或裝備,因而對結構材料要求高;其次,飛機部件的尺寸大而剛度小——有的飛機機翼長達幾十公尺,本身又是薄壁結構,易變形,即剛度小(剛度是指乙個結構在受力的情況下抵抗變形的能力),因此飛機結構的精確度不易保證;還有,飛機零件的數量特別多,裝配工作量大——大型飛機的零件有幾萬個之多,而鉚釘的數量就可達幾十萬,所以裝配特別費時。

一般說來,飛機結構應滿足以下基本要求:

氣動外形要求。當結構與氣動外形有關時,結構設計應使結構構造的外形能滿足規定的外形準確度要求和表面質量要求。這些要求主要與氣動阻力和公升力特性有關。

為了保證飛機在氣動上具有原定的良好穩定性與操縱性,機翼、尾翼與機身不容許有過大的變形。

有足夠的強度、剛度且重量要輕。結構設計應保證結構在承受各種規定的載荷狀態下,具有足夠的強度(所謂強度,是指結構或材料抵抗破壞的能力),不產生不能容許的殘餘變形;具有足夠的剛度(所謂剛度,是指結構或材料抵抗變形的能力)與採取其他措施以避免出現不能容許的氣動彈性問題與振動問題;具有足夠的壽命等。即要求飛機構造滿足一定的剛度與強度要求,但剛度、強度太大又會導致結構重量過重,而重量太輕又會導致剛度、強度不夠。

因而應該在滿足設計要求所規定的剛度、強度的前提下,重量應該最輕,以便多載人員、貨物、油料,以提高飛行效能。因而,應選擇強度高而重量輕的材料來製造飛機的構件。

抗疲勞破壞能力強。飛機有許多結構常處於交變載荷的作用下,容易產生疲勞破壞。因而結構應該有較好的抗疲勞破壞能力才能保證飛行安全。

高的可靠性和生存力。在規定的時間和規定的條件下,結構能完成規定功能的能力稱為結構的可靠性。飛機的可靠性是無故障性、維修性、耐久性和儲存性的綜合指標。

飛機的生存力是指被**擊中後,能夠繼續飛行的能力(兩架「受傷」程度相同的飛機,如果一架還能繼續飛行,而另一架不能繼續飛行了,則前者較後者的生存力強)。

使用維護要求。為了確保飛機的各個部分(包括裝在飛機內的電子裝置、燃油系統等各個重要裝置和系統以及主要結構)能安全可靠地工作,需要在規定的週期,檢查各個指定需要檢查的地方,如發現損傷,則需要進行修理或更換。

對於軍民用飛機,則需要縮短維護及檢修工作的時間,以保證飛機隨時處於臨戰狀態或者重新起飛狀態。

為了保證維護、檢修工作的高質量、高速度進行,在結構上需要布置合理的分離面與各種開口。

工藝性要求。要求飛機結構的工藝性要好,即加工要快、成本要低等。這些需結合機種、產量、需要迫切性與加工條件等綜合考慮。

成本要求——經濟性要求。這裡所說的成本,主要是指製造成本與運營成本(含與結構的維修有關的那部分)。如果從廣義上講,經濟性要求還應包括設計成本。

一般來說,以上各要求中,除氣動外形都要保證外,對軍機而言,重量要求是第一位的;對旅客機、運輸機則要同時考慮重量和經濟性。而經濟性要求實質上和重量、使用維護及工藝要求均密切相關。

重量要求之所以是飛機結構設計的主要要求,是因為對軍機而言,重量與效能密切相關,減重對軍機十分重要;對旅客機、運輸機而言,重量與經濟效益直接相關。由於現代旅客機使用壽命長(一般可達60000 飛行小時以上),因此減輕結構重量意味著可增加商載(即旅客、貨物、郵件等重量),在使用壽命期內增加的經濟效益將是十分可觀的。

主要的結構材料

為了減輕結構重量,除了採用合理的結構形式以外,最有效的方法是選用強度、剛度大而質量輕的材料。同時,應根據不同的飛行條件和工作環境,要求材料有一定的耐高溫和抗低溫效能;要有良好的耐老化和抗腐蝕能力;要有良好的抗疲勞效能等。此外,還要求材料應具有良好的加工效能;採用的材料要資源豐富、**低廉。

一般純金屬的機械效能都不太好,只有加入一種或幾種金屬元素後所形成的合金才具有良好的機械效能。

鋁合金。鋁合金除保持了純鋁的優點(如比重小、塑性高、抗腐蝕、導熱及導電性良好)以外,還具有良好的機械效能、物理效能和工藝效能。大多數變形鋁合金都易進行切削、壓力加工成形。

鑄造鋁合金則可用砂型、金屬型、壓力鑄造等方法成形。一般來講鋁合金由於具有接近鈦合金、結構鋼的比強度、高的比剛度效能以及工藝效能優良、成形方便、成本低廉等其他合金所不能比擬的優點,所以,鋁合金是飛機的主要結構材料(約佔60%~90%)。

鎂合金。在現有的工程用金屬中,鎂合金的密度最小,約為1.8 g/cm3,約為鋁的64%,鋼的32%,因而被廣泛用作航空材料。

雖然鎂合金的強度、彈性模量比鋁合金、合金鋼低,但其比強度、比彈性模量卻大致相同。更由於截面的慣性矩隨其厚度的立方比增加,故用鎂合金製造剛性好的航空零件十分適宜。

鎂合金很輕,具有良好的機械加工性,可廣泛應用於飛機的非主要受力構件上,還可以用來製造起落架上的剎車輪轂。另外,由於鎂合金對石油和鹼類物質有抗腐蝕性,可以用來做油管和油箱的零件。

合金鋼。鋼具有較高的比強度,效能穩定、工藝簡單、成本低廉,是製造承受大載荷的接頭、起落架和主梁等飛機構件的最合適的結構材料。航空發動機中的很多重要零件如壓氣機軸、渦輪軸和各種齒輪也要用高強度鋼或滲碳鋼製造。

超音速飛機(m>3)的受力框架等重要零件因在一定的溫度場中工作,必須採用中溫超高強度鋼。

很多航空零部件都要求材料具有良好的抗腐蝕效能和優良的高低溫綜合機械效能。種類繁多的不鏽鋼正好能滿足這些要求,例如馬氏體不鏽鋼用來製造壓氣機葉片、壓氣機盤、發動機機匣、環形件和大型殼體等。奧氏體不鏽鋼廣泛用來製造各種導管和儀表零件。

因此不鏽鋼和結構鋼在航空製造業中占有很重要的地位。

鈦合金。鈦的密度小(4.5 g/cm3),但其強度卻接近於鋼。

用鈦合金製造的飛機結構可以明顯的減輕結構重量。此外,鈦合金具有良好的抗腐蝕性及超低溫效能。鈦合金的主要缺點是加工成形比較困難,成本也較高。

複合材料。複合材料是由兩種或多種材料復合而成的多相材料。複合材料中起增強作用的材料稱為增強體,起粘結作用的材料稱為基體。

一般的增強體主要有碳纖維、石墨纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、硼纖維等高強度的纖維;基體材料一般採用具有柔韌型的樹脂,如環氧樹脂、聚醯亞胺樹脂等,另外還有鋁合金或鈦合金等。

複合材料具有優異的效能,其密度低,強度和剛度高,抗疲勞效能、減震效能等較好,而且可以對其力學效能進行設計,因而在航空航天結構上採用的越來越多。

化工材料。除了以上主要工程材料外,在航空結構中還採用了種類繁多的化工材料。例如用於連線不同部件的膠粘劑,用於製造座艙密封蓋的聚碳酸脂玻璃,用於製作航空輪胎的各種橡膠,還有為了防腐蝕甚至增加隱身效能的塗料等。

總之,飛行器的發展,所採用的各種材料的品種都在不斷發展,越來越發揮著重要的作用。

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