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1 飞机结构的刚度要求
飞机结构刚度设计的一般方法与步骤
参照已往设计经验或统计数据，进行构件及连接设计；在此基
础上，进行结构刚度在静力条件下的精细计算校核或实验验证；
以结构重量为目标，以刚度条件为约束，进行结构构件参数优
化或构件布置（位置）优化设计；
结构部件在模拟连接条件下的固有频率和振动模态数值计算分
颤振中的力作功曲线 颤阵临界速度的粗定量公式
γ 为焦点到重心的距离； b 为弦长。
Vcr =
π
S
2GJ ρ b
γ Cα y
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4 动气动弹性问题的力学成因及设计措施 2）副翼弯曲颤振的力学成因
副翼颤振为副翼的周期性刚体运动，仍有激振力与阻尼力，故也 存在振动发散或收敛问题，以及颤振临界速度。
ΔYa ΔYk
副翼偏转产生向上升力ΔYa（在刚心之后），这使结构剖面
低头扭转，导致结构剖面迎角降低;反过来这又产生了向下的 升力ΔYk,来抵消副翼偏转产生的升力；
可近似认为操纵力不变，显然也存在一个临界速度； 对大展弦比后掠翼，副翼连接段刚度问题较突出（扭转刚度
与展长成反比）。
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3 静气动弹性问题的力学成因及设计措施 3）静气动弹性的刚度设计措施 提高升力面结构剖面的扭转刚度或刚心前移,对任何机翼
析与实验；
结构部件在飞行包线上的气动弹性精确数值计算，确定颤振临
界速度；
全机共振实验（扫频仪、激振点）； 试飞测试。
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2 飞机结构的气动弹性设计原理
气动弹性问题的基本概念
1）飞机结构上的三种力、三个心
焦心
气动力
弹性力
刚心
重心
质量力
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2）静气动弹性与动气动弹性问题的区别 静气弹仅关心气动力（或由于扰动及着陆引起的气动力增 量）与升力面结构刚度（弹性力）之间的耦合作用，而不 考虑结构质量力在其中的作用。一般有两类： 机翼扭转扩大（形变发散）问题 副翼反效（操纵效能）问题
第4章 飞机气动弹性力学
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刚度与气动弹性设计
1 飞机结构的刚度要求
主导思想：受飞机布局设计所确定的气动特性（升阻特
性、力矩特性）及飞行性能要求，必须使飞 机的刚度条件满足飞行总体技术性能；在气 流复杂作用下结构不允许由于刚度不足带来 的不安全或较大损伤积累的行为。
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1 飞机结构的刚度要求 1 ）静刚度特性要求（变形量控制要求） 飞机结构的各个构件实际都有刚度要求，只是与强度问题
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4 动气动弹性问题的力学成因及设计措施 1）机翼弹性弯扭变形耦合导致的颤振
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4 动气动弹性问题的力学成因及设计措施 1）机翼弹性弯扭变形耦合导致的颤振 气动力增量与飞行速度平方成正比
∆Y = C α y ∆θ
ρV02
2
S
α+Δα Δα V0
u
阻尼力与飞行速度成线性关系
2 V ρ u 0 Cα S ∆Yd = y V0 2
发生颤振发散（扰动激励下的一种振动方式）。
4
1 飞机结构的刚度要求
4）振动工作环境的结构部位，不应发生结构共振 飞机结构的进气道、操纵系统或某些结构部位（如平尾）
由发动机噪声振动源、紊流产生的涡流或激波脉动压力所引起 的抖振（强迫振动）。
飞机结构刚度设计的轶事
1903年Wright兄弟成功动力飞 行的前九天，smithsonian 学 院的Langley教授在Potomac河 畔进行动力飞行失败了，机翼 的扭转刚度过小所致。
动气动弹性则关心气动力扰动激励作用下，由气动增量力、结 构刚度以及质量力三者交互作用时，能否产生自激振动的发散 （振幅扩大）。这种自激振动与飞机飞行速度相关，因而是一 个飞行性能与安全的问题。
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3 静气动弹性问题的力学成因及设计措施 1）静气动弹性问题中的扭转扩大
亚音速中严重
ΔY
气流扰动(ΔY)扰刚心产生扭转力矩Mα=ΔYda ； （与飞行速度的平方成正比） 盒段弹性将提供反作用力矩抗衡该升力增量力矩Mk
综合考虑时，对一些构件以强度或稳定性为主设计（在满足 强度、稳定性的同时，刚度条件够了。如飞机的主要受力构件： 机翼的壁板、梁、加强肋等）；
对一些构件（部位）以刚度设计为主（强度裕度很大，如
飞机的舱门、大开口部位、操纵系统的支座、舵面的转轴以及 机翼的总体挠度及总扭转角等形变量控制）。
3
1 飞机结构的刚度要求
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4 动气动弹性问题的力学成因及设计措施 3）抗颤振设计措施 提高机翼的抗弯、抗扭刚度，不能无限制； 重心前移，减小重心到刚心距离（加配重，翼尖/副翼前缘）； 操纵系统中加装颤振阻尼器（消耗颤振能量，对副翼有效）； 复合材料结构的弹性气动剪裁设计（弯扭耦合设计）； 主动控制技术（主动阻尼控制方法，动弹性分类 I(惯性力) A(气动力) I
S
A E
E(弹性力)
气动弹性力学三角形
气动伺服弹性力学三角形
T
I E
A
气动热弹性力学三角形
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的速度，控制操纵副翼或直接升力面）
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5 气动弹性方框图 迎角α 机翼 升力Y
刚性机翼空气 动力方框图
迎角α
α+θ
刚性机翼 扭矩
升力Y
作为弹性系统 机翼 扭角 θ
弹性机翼空气 动力方框图
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5 气动弹性方框图 θ 突风G 空气动力学
空气动力Y
θ 变形
Y+I
弹性系统
质量惯性 θ
惯性力I
θ
弹性机翼的突 风响应
2）静气动弹性问题对结构部件的刚度要求 机翼盒段的抗扭刚度要满足不能使其在气流扰动下发生剖面
扭转角扩大(发散)的可能；
机翼盒段（副翼连接段）的抗扭刚度要满足不能使其在气流
扰动下发生副翼失效或反效的可能。
3）动气动弹性问题对结构部件的刚度要求 机尾翼及副翼受气流扰动条件下，在一定速度范围内不允许
受重量约束不能无限制；
适当提高升力面结构剖面的抗弯刚度（不至于引起展向气
动力分布的额外变化，对后掠翼重要）；
对大展弦比后掠翼高速时，可改用内
副翼或增加扰流片（大飞机常用，用 于改善气动力分布，使焦点后移）；
复合材料气动剪裁优化设计（弯扭耦合，
对前掠机翼必需，对其他机翼也有减小结构重量的作用）。
刚度较小，Mα> Mk (扭角扩大，气动力矩 ，变形发散);
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3 静气动弹性问题的力学成因及设计措施 1）静气动弹性问题中的扭转扩大 超音速时压心及焦点后移，在扰动作用下，扭转扩大一般 不会出现 ; 前掠机翼的扭转扩大比后掠翼尤为严重； 存在一个飞行的临界速度。
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3 静气动弹性问题的力学成因及设计措施 2）静气动弹性问题中副翼反效