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概述

系統(tǒng)工程師或經理必須從不同的標準和關注點綜合設計。關注的領域之一是荷載和結構。任何飛機系統(tǒng)，特別是那些有外部部件如操縱面的飛機系統(tǒng)，都會受到設計系統(tǒng)必須適應的許多外部和內部載荷和應力源的影響。

載荷分析是一項巨大的任務，在飛機設計過程中跨越數年。然而，系統(tǒng)設計必須從初步信息開始。顯然，系統(tǒng)工程師必須在某種程度上說負載分析師的語言，并且能夠進行粗略的負載分析。

有些情況下，工程師在設計的第一次迭代中花了很多時間，卻因為忽略了一個基本的結構原理或者根本不知道而被載荷分析師直接拒絕。本節(jié)的一個目的是盡量減少(如果不是完全消除)這種低效率。

更理想的是，認知工程師，如果他要真正認知，將對結構原理有一個基本的理解。他將非常熟悉載荷分析，因此很有可能在設計中及早發(fā)現結構問題。他將知道何時咨詢負載工程師，并在共同理解的背景下與他們溝通。因此，他的設計將很快獲得負載組的青睞，永遠不必從頭再來。

機體結構的工程設計是一個涉及多個學科的過程。它的兩項主要活動是:

1.外部載荷分析

2.內部載荷分析外部載荷分析屬于載荷組的范疇，是本節(jié)的主題。應力分析小組負責內部載荷和機體結構的詳細規(guī)范。

這里介紹以下內容：

1. 產生空氣動力載荷的力和壓力；

2. 慣性載荷的基本知識和影響慣性載荷的參數(慣性載荷是加速質量產生的力，作用方向與加速度矢量相反)；

3. 摘要形式的負載組的工作；荷載組和其他工程組之間的接口。外部載荷是作用在機翼或垂直尾翼等結構表面的空氣動力和慣性力。外部載荷分為兩大類:

• 空氣載荷:空氣動力，即升力和阻力，由氣流的動壓引起，它們是由于飛機以一定速度在空氣中運動而作用在機翼表面的壓力的結果。

• 慣性載荷:由重力和由飛機機動和大氣湍流產生的加速度引起的力。

圖1顯示了飛機在飛行中受到空氣動力和慣性力的作用。由于飛機是浸在我們稱之為空氣的流體中的自由體，它必須響應任何合力而運動。線速度和旋轉速度將與施加在重心的凈力和力矩成比例。相反，對于具有穩(wěn)定姿態(tài)和恒定速度的飛機，重心處的凈力和力矩必須為零。力矩是力乘以距離產生的旋轉。

內部載荷是那些作用在飛機結構內的力。慣性力是機身內部載荷的主要來源。內部載荷的分析直接導致機體結構的規(guī)格，并有助于飛機認證。

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負載源

有許多事件和條件促成了外部和內部負荷，它們被列舉如下。

1. 聲學壓力

2. 大氣湍流（陣風）

3. 自動駕駛儀出現故障

4. 碰撞載荷因素

5. 甩尾

6. 發(fā)動機葉片脫落和磁盤故障

7. 發(fā)動機熄火和飛行中的反推力

8. 飛行動作：俯仰、滾動和偏航，包括穩(wěn)定狀態(tài)和加速狀態(tài)

9. 機身增壓

10. 地面操作動作：滑行、轉彎、剎車等。

11. 卡住的控制面

12. 著陸載荷

13. 活動表面鉸鏈中的結構撓度和誘導載荷

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壓力中心

升力面的壓力中心是前緣和后緣之間的一個點，在這個點上升力的作用就好像它是一個合成矢量。它是上翼面和下翼面上壓力的總和，進一步定義為零力矩點。

然而，壓力中心可以向前或向后移動，這取決于以下變量:

• 迎角

• 馬赫數

• 相鄰控制面的偏轉

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力矩

除了升力之外，機翼上的空氣動力也會導致它機頭朝下旋轉。在水平尾翼上，向下的尾翼升力產生反向旋轉。這些旋轉被稱為力矩。力矩是力乘以距離的簡單乘積。在圖2中，我們希望知道力(F)在點a附近產生的力矩(MA)，如果我們讓A點和B點之間的垂直距離為L，那么力矩為:MA= F×L。

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尾翼平衡法

有水平尾翼的平衡作用，傳統(tǒng)飛機將無法飛行。后掠翼上的空氣載荷不僅產生升力和阻力，還產生機頭向下的俯仰力矩。水平尾翼產生向下的升力，產生與機翼大小相等的反力矩。但情況比這更復雜。重心的縱向變化也必須由尾部來適應。除非飛機的重心正好在機翼壓力中心，否則就會產生俯仰力矩。

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穩(wěn)定性和修剪

設計的基礎前提之一是飛機既要穩(wěn)定又可配平。配平要求作用在飛機上的空氣載荷和慣性載荷保持平衡，這樣飛機將保持平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性條件，如果由于任何原因，飛機從其配平位置受到干擾，從而氣動載荷發(fā)生變化，那么這些變化的載荷必須使飛機恢復到其原始配平位置，而不是使飛機脫離原始配平。

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重心

載荷小組的另一項任務是確定飛機重心的前后極限。在飛行過程中，隨著有效載荷和燃油分布的變化，重心也會發(fā)生變化，導致平衡尾翼載荷發(fā)生變化，所有這些都會影響機體結構的設計。

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載荷小組的工作

載荷分析是一項艱巨的任務，也是最耗時的部分，專門用于確定飛機整個表面上的外部載荷分布。 然而，當負載分析完成后，負載團隊能夠與壓力團隊合作處理以下重要信息：

• 剪力、力矩和扭矩

• 面板點載荷

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剪力、力矩和扭矩

空氣動力學專家與載荷分析師交流結構形狀對氣流的影響。現在，負荷分析師計算出氣流對其結構的影響。機翼上的空氣動力只是升力和阻力。但是從載荷的角度來看，機翼表面升力和阻力變成了剪切力、彎矩和扭矩。

剪切力作用在垂直或平行于機翼參考平面的方向上；彎矩是剪切力乘以力矩臂的乘積(通常彎曲的參考點是沿翼根的縱軸)；扭矩也是剪切力乘以力矩臂，但在這種情況下，參考軸沿機翼翼展橫向延伸。

外部載荷分析計算空氣載荷和慣性載荷，并將它們處理成飛機表面上所有點的剪力、彎矩和扭矩。一旦知道了這種力的分布，就可以將它們相加，得到總的凈載荷。例如，機翼的表面空氣載荷從翼尖到翼根是完整的。

慣性力——結構質量和燃料質量乘以飛機加速度——也是從頭到尾的積分。將這些積分結合起來以獲得凈載荷。

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面板點載荷

載荷小組需要確定在所有飛行條件下飛機所有部件的最高受力。許多案例被分析，最大-最小的結果被繪制出來或制成表格，作為尋找關鍵條件的幫助。選定的案例被進一步處理成面板點載荷，供應力分析和內部設計團隊使用。

面板點荷載是將剪力、力矩和扭矩轉換為點軸力和壓力，應用于整個結構的理想化表面，即棒材和面板。

這個理想化的表面（包括撐桿、弦桿、肋骨、表皮、框架等）被稱為有限元模型（FEM）。外部荷載作為力（最多三個方向）施加在桿件交接處，或作為壓力施加在面板上。載荷團隊將這些結果，即面板點載荷，輸出給應力分析團隊。然后，應力團隊將面板點載荷應用于有限元分析。輸出是內部載荷、軸向桿件載荷和面板的剪切流。在這一點上，可以開始對結構成員進行詳細的應力分析。

載荷團隊與一些團隊密切合作，特別是空氣動力學穩(wěn)定性和控制團隊和機體應力分析團隊。這些信息可以分為質量、空氣動力學、幾何學和系統(tǒng)數據。需要大量的空氣動力學數據，這些數據來自風洞試驗或從理論上計算出來的。

• 航空小組-穩(wěn)定和控制以及設計和載荷-提供力和壓力系數。

• 重量組提供集中和分布的質量和重心數據（發(fā)動機、起落架和APU是集中質量的例子）。這個數據對于固定面和控制面是需要單獨提供的。重量組還以兩種形式提供這個數據：以磅/英寸為單位的分布式重量和以艙位為單位的總重量。

• 艙位屬性包括艙位重心。

• 燃料管理和航電組提供系統(tǒng)參數，如燃料使用計劃、控制面率、自動駕駛儀權限和穩(wěn)定器調整率。

• 發(fā)動機性能組提供推力和轉速數據。

• 液壓組提供控制面的運動率。

在計算速率之前，載荷組首先向液壓組提供空氣動力鉸鏈矩數據。負荷組的主要客戶是空氣框架應力組、疲勞和損傷容限組以及室內設計組。

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其他類型負載

此處列出了影響結構設計的一些其他類型的荷載：

• 機身增壓不會以任何方式影響外部載荷，盡管機身蒙皮和框架中存在內部載荷。機身殼體分析中使用的大多數機動和陣風條件都是在有內壓和無內壓的情況下進行分析的。

• FAR 25.561中定義的碰撞荷載系數單獨使用，即不與空氣荷載、設計內部項目和一些主要結構結合使用。

• 設計荷載下的結構變形可能會影響飛機管道和風道的設計和布置。機翼彎曲會在鉸接的操縱面和高升力裝置中產生較大的載荷。

• 發(fā)動機處和附近的聲級產生作用于控制表面、襟翼和其他結構（如整流罩）蒙皮的壓力級，需要進行疲勞分析。

通常，滿足已知聲級的蒙皮量規(guī)、肋厚度和間距采用設計手冊的規(guī)定和要求。當需要更詳細分析時，將針對已知剛度特性和聲級的給定結構計算壓力級，這些特性和聲級在頻率范圍內變化。

 文章來源MBSE知識庫與應用案例