航空航天系统工程-载荷和结构

无人机圈 2022年11月3日浏览：1992 收藏：2

概述

系统工程师或经理必须从不同的标准和关注点综合设计。关注的领域之一是荷载和结构。任何飞机系统，特别是那些有外部部件如操纵面的飞机系统，都会受到设计系统必须适应的许多外部和内部载荷和应力源的影响。

载荷分析是一项巨大的任务，在飞机设计过程中跨越数年。然而，系统设计必须从初步信息开始。显然，系统工程师必须在某种程度上说负载分析师的语言，并且能够进行粗略的负载分析。

有些情况下，工程师在设计的第一次迭代中花了很多时间，却因为忽略了一个基本的结构原理或者根本不知道而被载荷分析师直接拒绝。本节的一个目的是尽量减少(如果不是完全消除)这种低效率。

更理想的是，认知工程师，如果他要真正认知，将对结构原理有一个基本的理解。他将非常熟悉载荷分析，因此很有可能在设计中及早发现结构问题。他将知道何时咨询负载工程师，并在共同理解的背景下与他们沟通。因此，他的设计将很快获得负载组的青睐，永远不必从头再来。

机体结构的工程设计是一个涉及多个学科的过程。它的两项主要活动是:

1.外部载荷分析

2.内部载荷分析外部载荷分析属于载荷组的范畴，是本节的主题。应力分析小组负责内部载荷和机体结构的详细规范。

这里介绍以下内容：

产生空气动力载荷的力和压力；
惯性载荷的基本知识和影响惯性载荷的参数(惯性载荷是加速质量产生的力，作用方向与加速度矢量相反)；
摘要形式的负载组的工作；荷载组和其他工程组之间的接口。外部载荷是作用在机翼或垂直尾翼等结构表面的空气动力和惯性力。外部载荷分为两大类:

空气载荷:空气动力，即升力和阻力，由气流的动压引起，它们是由于飞机以一定速度在空气中运动而作用在机翼表面的压力的结果。
惯性载荷:由重力和由飞机机动和大气湍流产生的加速度引起的力。

图1显示了飞机在飞行中受到空气动力和惯性力的作用。由于飞机是浸在我们称之为空气的流体中的自由体，它必须响应任何合力而运动。线速度和旋转速度将与施加在重心的净力和力矩成比例。相反，对于具有稳定姿态和恒定速度的飞机，重心处的净力和力矩必须为零。力矩是力乘以距离产生的旋转。

航空航天系统工程-载荷和结构的图2

内部载荷是那些作用在飞机结构内的力。惯性力是机身内部载荷的主要来源。内部载荷的分析直接导致机体结构的规格，并有助于飞机认证。

负载源

有许多事件和条件促成了外部和内部负荷，它们被列举如下。

1. 声学压力

2. 大气湍流（阵风）

3. 自动驾驶仪出现故障

4. 碰撞载荷因素

5. 甩尾

6. 发动机叶片脱落和磁盘故障

7. 发动机熄火和飞行中的反推力

8. 飞行动作：俯仰、滚动和偏航，包括稳定状态和加速状态

9. 机身增压

10. 地面操作动作：滑行、转弯、刹车等。

11. 卡住的控制面

12. 着陆载荷

13. 活动表面铰链中的结构挠度和诱导载荷

压力中心

升力面的压力中心是前缘和后缘之间的一个点，在这个点上升力的作用就好像它是一个合成矢量。它是上翼面和下翼面上压力的总和，进一步定义为零力矩点。

然而，压力中心可以向前或向后移动，这取决于以下变量:

迎角
马赫数
相邻控制面的偏转

力矩

除了升力之外，机翼上的空气动力也会导致它机头朝下旋转。在水平尾翼上，向下的尾翼升力产生反向旋转。这些旋转被称为力矩。力矩是力乘以距离的简单乘积。在图2中，我们希望知道力(F)在点a附近产生的力矩(MA)，如果我们让A点和B点之间的垂直距离为L，那么力矩为:MA= F×L。

航空航天系统工程-载荷和结构的图6

尾翼平衡法

有水平尾翼的平衡作用，传统飞机将无法飞行。后掠翼上的空气载荷不仅产生升力和阻力，还产生机头向下的俯仰力矩。水平尾翼产生向下的升力，产生与机翼大小相等的反力矩。但情况比这更复杂。重心的纵向变化也必须由尾部来适应。除非飞机的重心正好在机翼压力中心，否则就会产生俯仰力矩。

稳定性和修剪

设计的基础前提之一是飞机既要稳定又可配平。配平要求作用在飞机上的空气载荷和惯性载荷保持平衡，这样飞机将保持平衡状态。稳定性条件，如果由于任何原因，飞机从其配平位置受到干扰，从而气动载荷发生变化，那么这些变化的载荷必须使飞机恢复到其原始配平位置，而不是使飞机脱离原始配平。

重心

载荷小组的另一项任务是确定飞机重心的前后极限。在飞行过程中，随着有效载荷和燃油分布的变化，重心也会发生变化，导致平衡尾翼载荷发生变化，所有这些都会影响机体结构的设计。

载荷小组的工作

载荷分析是一项艰巨的任务，也是最耗时的部分，专门用于确定飞机整个表面上的外部载荷分布。然而，当负载分析完成后，负载团队能够与压力团队合作处理以下重要信息：

剪力、力矩和扭矩
面板点载荷

剪力、力矩和扭矩

空气动力学专家与载荷分析师交流结构形状对气流的影响。现在，负荷分析师计算出气流对其结构的影响。机翼上的空气动力只是升力和阻力。但是从载荷的角度来看，机翼表面升力和阻力变成了剪切力、弯矩和扭矩。

剪切力作用在垂直或平行于机翼参考平面的方向上；弯矩是剪切力乘以力矩臂的乘积(通常弯曲的参考点是沿翼根的纵轴)；扭矩也是剪切力乘以力矩臂，但在这种情况下，参考轴沿机翼翼展横向延伸。

外部载荷分析计算空气载荷和惯性载荷，并将它们处理成飞机表面上所有点的剪力、弯矩和扭矩。一旦知道了这种力的分布，就可以将它们相加，得到总的净载荷。例如，机翼的表面空气载荷从翼尖到翼根是完整的。

惯性力——结构质量和燃料质量乘以飞机加速度——也是从头到尾的积分。将这些积分结合起来以获得净载荷。

面板点载荷

载荷小组需要确定在所有飞行条件下飞机所有部件的最高受力。许多案例被分析，最大-最小的结果被绘制出来或制成表格，作为寻找关键条件的帮助。选定的案例被进一步处理成面板点载荷，供应力分析和内部设计团队使用。

面板点荷载是将剪力、力矩和扭矩转换为点轴力和压力，应用于整个结构的理想化表面，即棒材和面板。

这个理想化的表面（包括撑杆、弦杆、肋骨、表皮、框架等）被称为有限元模型（FEM）。外部荷载作为力（最多三个方向）施加在杆件交接处，或作为压力施加在面板上。载荷团队将这些结果，即面板点载荷，输出给应力分析团队。然后，应力团队将面板点载荷应用于有限元分析。输出是内部载荷、轴向杆件载荷和面板的剪切流。在这一点上，可以开始对结构成员进行详细的应力分析。

载荷团队与一些团队密切合作，特别是空气动力学稳定性和控制团队和机体应力分析团队。这些信息可以分为质量、空气动力学、几何学和系统数据。需要大量的空气动力学数据，这些数据来自风洞试验或从理论上计算出来的。

航空小组-稳定和控制以及设计和载荷-提供力和压力系数。
重量组提供集中和分布的质量和重心数据（发动机、起落架和APU是集中质量的例子）。这个数据对于固定面和控制面是需要单独提供的。重量组还以两种形式提供这个数据：以磅/英寸为单位的分布式重量和以舱位为单位的总重量。
舱位属性包括舱位重心。
燃料管理和航电组提供系统参数，如燃料使用计划、控制面率、自动驾驶仪权限和稳定器调整率。
发动机性能组提供推力和转速数据。
液压组提供控制面的运动率。

在计算速率之前，载荷组首先向液压组提供空气动力铰链矩数据。负荷组的主要客户是空气框架应力组、疲劳和损伤容限组以及室内设计组。