第1章 引论 1
1.1机体初步设计 1
1.2适航性目标 2
1.2.1引言 2
1.2.2民用飞机 2
1.2.3军用飞机的考虑 2
1.2.4失效概率的定义 3
1.3适航目标的实现——载荷及因子 4
1.3.1要求 4
1.3.2载荷的种类 4
1.3.3载荷频数 5
1.3.4载荷因子 5
1.3.5结构寿命 6
1.3.6系统设计 8
1.4定义及基本假设 9
1.4.1参考坐标轴 9
1.4.2惯性特性 12
1.4.3气动特性 13
1.5设计状态的规定 15
1.5.1操纵和设计飞行包线 15
1.5.2速度的定义 15
1.5.3飞机的质量和重心 16
1.5.4发动机状态 16
1.5.5高度 17
第2章 结构设计规范 18
2.1历史回顾 18
2.1.1引言 18
2.1.2军用飞机规范的发展 18
2.1.3民用飞机规范 20
2.2现行的适航规范 24
2.2.1引言 24
2.2.2军用飞机 24
2.2.3民用飞机规范 27
2.3飞机的分类 28
2.3.1军用飞机 28
2.3.2民用飞机 29
2.4主要的载荷类型 29
2.4.1飞行器构型与载荷情况 29
2.4.2对称飞行情况 29
2.4.3非对称飞行情况 29
2.4.4地面情况 30
2.4.5纵向载荷情况 30
2.4.6局部载荷及其他载荷情况 30
2.5载荷情况说明 30
2.6速度设计 31
2.6.1简介 31
2.6.2设计速度 31
第3章 飞行载荷工况 35
3.1绪言 35
3.2对称机动飞行 35
3.2.1引言 35
3.2.2对称机动飞行状态 35
3.2.3飞行包线或n—V图 37
3.2.4俯仰状态 39
3.3非对称机动飞行 40
3.3.1绪言 40
3.3.2滚转状态 40
3.3.3偏航／侧滑机动 43
3.4发动机失效状态 47
3.5大气湍流和突风 47
3.5.1引言 47
3.5.2突风表示法 48
3.5.3突风和湍流要求 50
3.5.4非对称突风规范 52
附录A3滚转性能要求 54
A3.1军机 54
A3.2民机 54
第4章 刚性机体动力学 55
4.1引言 55
4.2纵向配平情况 55
4.2.1对称飞机的力和力矩 55
4.2.2各项气动力的定义 58
4.3静稳定性 63
4.3.1纵向静裕度——操纵面固定 63
4.3.2纵向机动裕度——操纵面固定 64
4.3.3横向静稳定性 66
4.3.4航向静稳定性 67
4.4一般运动学方程 67
4.4.1引言 67
4.4.2加速度的构成 67
4.4.3广义力和广义力矩方程 69
4.4.4初始定常配平状态 70
4.4.5扰动力和扰动力矩 70
4.4.6运动方程的整理及线性化 72
4.4.7运动方程的无量纲化 74
4.4.8运动方程的解耦 77
4.5运动方程的解 78
4.5.1引言 78
4.5.2解耦运动方程的微分算子求解 79
4.6载荷计算的纵向方程组分析 79
4.6.1引言 79
4.6.2无量纲纵向导数的定义 81
4.6.3飞机对俯仰操纵输入的响应 84
4.6.4飞机对发动机推力变化的响应 88
4.7横／航向运动方程解析 89
4.7.1引言 89
4.7.2横／航向无量纲导数的定义 90
4.7.3横／航向运动学方程组的解耦 93
4.7.4飞机对滚转操纵输入的响应 93
4.7.5飞机对于偏航操纵输入的响应 94
4.7.6飞机对发动机推力变化的响应 96
4.8对特殊飞机构型的注释 97
4.8.1一般情况 97
4.8.2采用鸭翼布局的飞机 97
4.8.3无尾飞机 98
4.8.4全动平尾 99
附录A4二阶线性微分方程组特性 99
A4.1引言 99
A4.2余函数 100
A4.3定解积分 101
第5章 飞行机动载荷 105
5.1绪言 105
5.1.1概述 105
5.1.2配平飞行 105
5.1.3机动载荷 105
5.2控制激励器运动模态 106
5.2.1引言 106
5.2.2无校验模态 106
5.2.3校验模态 108
5.2.4激励模态 108
5.3纵向运动——俯仰激励偏转 108
5.3.1定常飞行状态 108
5.3.2俯仰加速度 110
5.3.3无校验俯仰机动分析 111
5.3.4校验俯仰机动分析 116
5.3.5有校验和无校验控制运动载荷比较 118
5.3.6水平安定面上载荷总结 118
5.3.7后缘操纵装置载荷 120
5.4横向运动——滚转激励器偏转 120
5.5航向运动——偏航激励器偏转 120
5.5.1引言 120
5.5.2偏航激励器的阶跃输入 122
5.5.3偏航激励器的正弦输入 124
5.5.4偏航控制激励器载荷 125
5.5.5横向和偏航加速度 126
5.6侧滑产生的非对称水平安定面载荷 130
5.7飞行机动载荷分析 130
第6章 大气湍流引起的载荷 131
6.1大气湍流的本质 131
6.1.1概述 131
6.1.2大气湍流的数学模型 131
6.2减缓陡边型突风分析——突风n—V图 133
6.2.1减缓因子 133
6.2.2突风n—V图 134
6.2.3对称突风引起的水平安定面载荷 136
6.2.4鸭式布局飞机 136
6.2.5垂直安定面的横向突风载荷 137
6.3调谐突风方法 137
6.3.1对称突风 137
6.3.2横向突风 140
6.4连续湍流分析 141
6.4.1连续湍流分析基础 141
6.4.2应用于飞机突风响应 144
6.4.3连续湍流突风设计准则 147
6.4.4 A和N0的确定 148
6.4.5动力放大因子的结构响应 155
6.5总结 155
附录6横向两自由度连续湍流分析应用举例 156
A6.1引言 156
A6.2飞机和算例数据 156
A6.3减缓陡边型突风分析 156
A6.4连续湍流分析的A和N0计算 157
A6.5设计包线分析应用 158
A6.6任务分析的应用 159
第7章 着陆载荷 161
7.1引言 161
7.1.1概述 161
7.1.2强度规范的适用范围 161
7.1.3飞机设计质量条件 162
7.1.4飞机纵向姿态 162
7.2缓冲器设计特性概述 163
7.2.1引言 163
7.2.2缓冲器的性能和效率 163
7.2.3充气轮胎特性曲线 165
7.2.4缓冲器反作用力因子和行程 166
7.2.5能量吸收方程 166
7.2.6能量耗散 168
7.3能量吸收要求 168
7.3.1引言 168
7.3.2着陆时垂直方向速度要求 168
7.3.3垂直方向上的能量在各起落架单元上的分配 170
7.4着陆条件引起的载荷工况 171
7.4.1引言 171
7.4.2在有阻力和侧向载荷的条件下着陆——载荷工况（1） 172
7.4.3侧向载荷——载荷工况（2） 173
7.4.4高阻力着陆——载荷工况（3） 173
7.4.5单轮着陆情形——载荷工况（4） 176
7.4.6运动部件的弹跳——载荷工况（5） 176
7.5地面机动引起的载荷工况 176
7.5.1引言 176
7.5.2刹车工况 177
7.5.3转向和绕轴转动 178
7.5.4起飞工况 179
7.5.5附加前轮载荷——转弯 179
7.5.6牵引载荷 179
7.6不平整地面上的操纵 180
7.6.1引言 180
7.6.2跑道不平整度和颠簸因子F的定义 180
7.6.3军用飞机稳定刹车工况——Def.Stan.00-970第305章 181
7.6.4起飞工况 182
7.7附加载荷工况 182
7.7.1概述 182
7.7.2方向控制和前轮转向——Def.Stan.00-970第300、 302和303章；JAR-25.499 182
7.7.3触地时和触地后的前向速度——JAR-25.479和481 183
7.7.4滑行和起飞滑跑 183
7.7.5机轮和轮胎上的不相等载荷 183
7.7.6轮胎间隙 183
7.7.7起落架的收放 183
7.8水平方向的能量吸收——刹车 183
7.9机身弹性和其他因素的影响 184
7.10算例计算 184
附录A7着陆的动力学分析 184
A7.1引言 184
A7.2问题的定义 185
A7.3起落架弹簧和阻尼特性的推导 186
A7.4作用力的推导 188
A7.5动能项 189
A7.6势能项 189
A7.7外力功 189
A7.8运动方程的推导 190
A7.9运动方程的简化和求解 190
A7.10讨论 192
第8章 飞机结构各部件的载荷 193
8.1引言 193
8.2其他的整体载荷情况 193
8.2.1纵向加减速 193
8.2.2尾旋 194
8.2.3地面操纵载荷 195
8.2.4适坠性 195
8.3升力面 196
8.3.1引言 196
8.3.2鸟撞 196
8.3.3燃油系统——整体油箱和分隔油箱 198
8.3.4操纵面与增升装置沿有效铰轴线的载荷 198
8.3.5操纵面后缘顶风的载荷工况 198
8.3.6增升装置 198
8.3.7安装在机翼上的扰流板和减速板 200
8.4机身 200
8.4.1概述 200
8.4.2减速 200
8.4.3舱内气压 200
8.4.4鸟撞 201
8.4.5装载货物时的载荷条件 202
8.5发动机的安装——安装发动机引起的载荷 202
8.5.1引言 202
8.5.2英国军用飞机——Def.Stan&00-970第200章第8段和活页 200/3. 203
8.5.3民用飞机——JAR-25和JAR-23中第361段、363段和371段 203
8.5.4鸟撞——吸入 204
8.5.5发动机安装位置 204
附录A8鸟撞条件下的风挡设计公式 204
A8.1引言 204
A8.2穿透公式 205
A8.3风挡变形分析 206
第9章 气动载荷分布 208
9.1绪言 208
9.2升力面概述 208
9.3亚声速流动中升力面的展向载荷 210
9.3.1无后掠升力面 210
9.3.2后掠（或前掠）升力面的展向载荷 214
9.3.3滚转产生的展向载荷分布 215
9.3.4亚声速流中升力面展向载荷概述 216
9.4亚声速流动中升力面的弦向载荷 220
9.4.1载荷分量 220
9.4.2弦向上压力中心和气动中心 221
9.4.3总弦向载荷和力矩 223
9.4.4基本翼型上的弦向载荷分布 224
9.5机身在亚声速流动中的纵向气动载荷分布 226
9.6超声速流动中升力面上的压力分布 226
9.6.1超声速无黏流动中无限展长升力面上压力分布 226
9.6.2超声速无黏流中有限展长、无掠角升力面上的压力分布 227
9.6.3边界层效应 228
9.6.4后掠翼／前掠翼的超声速前缘和后缘 229
9.6.5后掠翼／前掠翼的亚声速前缘和后缘 230
9.6.6超声速流动中升力面上压力分布的讨论 232
9.6.7超声速流动中偏航作用下的压力分布 235
9.6.8超声速流动中控制偏角产生的压力分布 235
9.7超声速流动中机身和翼-身组合体的气动载荷分布 238
9.7.1单独机身 238
9.7.2超声速流动中翼-身组合体的气动载荷分布 239
9.8零升力时的总载荷对零升俯仰力矩的影响 240
9.8.1引言 240
9.8.2翼型弯度 240
9.8.3升力面扭转 240
9.8.4机身弯度 241
9.8.5翼-身效应 241
9.8.6总零升俯仰力矩 242
第10章 重复性载荷的规范与分析 243
10.1引言 243
10.2疲劳设计要求 243
10.2.1引言 243
10.2.2民用运输机规范 243
10.2.3英国军用飞机规范 243
10.2.4美国军用飞机规范 244
10.3疲劳载荷分析的假设 244
10.4重复载荷数据 245
10.4.1数据表示 245
10.4.2机动飞行工况 246
10.4.3大气湍流 247
10.4.4起落架载荷 250
10.4.5其他显著重复载荷来源 252
10.5重复载荷工况的意义 253
10.5.1引言 253
10.5.2地面载荷 253
10.5.3地-空-地载荷 253
10.5.4加压 253
10.5.5飞行机动载荷——对称 253
10.5.6飞行机动载荷——非对称 253
10.5.7操纵面作动载荷 254
10.5.8飞行突风载荷 254
10.5.9着陆载荷 254
10.6飞机结构寿命规范 254
10.7疲劳设计过程 255
10.7.1引言 255
10.7.2初步设计阶段的抗疲劳设计（图10-11） 255
10.7.3选择设计原理 256
10.7.4设计过程——安全寿命和故障安全（图10-12） 257
10.7.5设计过程——损伤容限（图10-13） 257
第11章 气动弹性设计概要 258
11.1引言 258
11.2气动弹性现象 258
11.2.1发散 258
11.2.2操纵效能降低与反效 260
11.2.3颤振 260
11.3结构响应 262
11.4气动弹性规范 262
11.5刚度准则 262
11.6惯性和质量分布 264
11.7结构阻尼 265
11.8其他刚度和有关考虑 265
11.8.1操纵面间隙 265
11.8.2操纵面及其护板的变形 265
11.8.3铰接门、俯冲制动器等 266
11.8.4机翼翼型轮廓 266
第12章 结构设计数据的推导 267
12.1引言 267
12.2结构设计的基本目标 267
12.2.1引言 267
12.2.2强度 267
12.2.3刚度 268
12.2.4适用性 268
12.2.5先进控制系统的内涵 268
12.3要求分析——结构设计数据 269
12.3.1一般流程 269
12.3.2无约束梁分析例子 269
12.3.3主要设计工况下的着陆载荷 269
12.4主要结构部件上的载荷源 274
12.4.1引言 274
12.4.2机翼上的总体受载 274
12.4.3机身载荷 275
12.4.4起落架 276
12.5参考基准线 276
12.5.1参考线 276
12.5.2后掠翼 277
附录A12无约束梁分析的示例 277
A12.1问题定义 277
A12.2总载荷分析 278
A12.3讨论 281
第13章 飞机结构材料及其应用 282
13.1引言 282
13.2飞机结构材料 282
13.2.1概述 282
13.2.2金属材料 282
13.2.3纤维增强复合材料 283
13.3选材标准 283
13.3.1概述 283
13.3.2静（拉伸）强度 284
13.3.3断裂韧性 285
13.3.4刚度 285
13.4飞机材料的应用 285
13.4.1金属 285
13.4.2复合材料 288
13.4.3智能材料 290
13.4.4其他飞机结构材料 290
13.5初步结构设计所需的材料性能 291
13.5.1引言 291
13.5.2刚度 291
13.5.3金属材料的许用应力 291
13.5.4许用应力——纤维增强复合材料 294
第14章 构件的作用与布置 297
14.1引言 297
14.2升力面——机翼和安定面 297
14.2.1总体要求 297
14.2.2展向翼梁概念 298
14.2.3机翼油箱 304
14.2.4翼梁的弦向位置 304
14.2.5翼肋位置及其方向 305
14.2.6固定的次承力结构 305
14.2.7水平安定面 306
14.2.8垂直安定面 306
14.3辅助升力面 308
14.3.1概述 308
14.3.2铰接操纵面 308
14.3.3全动操纵面 310
14.3.4增升系统 310
14.4机身 312
14.4.1一般要求 312
14.4.2截面构型 313
14.4.3基本结构布置——外壳 314
14.4.4机身框 316
14.4.5舱门、窗户及风挡玻璃／舱盖 316
14.4.6地板 317
14.5升力面连接结构 317
14.5.1连续贯通结构 317
14.5.2机翼载荷的机身传力 318
14.6战斗机内埋式发动机 320
14.6.1引言 320
14.6.2机翼位置 320
14.6.3发动机拆卸 320
14.6.4垂直起降设计的特殊问题 321
14.7起落架 321
14.7.1起落架机械布置 321
14.7.2起落架的收进 322
第15章 综合设计——构件尺寸的初步确定 323
15.1引言 323
15.1.1基本说明 323
15.1.2载荷分配 323
15.1.3综合技术 324
15.2升力面盒式梁 325
15.2.1翼盒结构的横截面 325
15.2.2扭转刚度要求 326
15.2.3总体扭矩 327
15.2.4总体弯矩 328
15.2.5翼盒上下蒙皮厚度 329
15.2.6梁腹板 329
15.2.7桁条配置 330
15.3翼肋 331
15.4辅助气动面（操纵面、襟翼、缝翼和扰流板） 333
15.4.1铰支撑位置 333
15.4.2主要元件尺寸 334
15.5机身 336
15.5.1增压 336
15.5.2扭转剪切要求 336
15.5.3总体弯矩 336
15.5.4蒙皮厚度的确定 337
15.6机身壳体的支撑框 337
15.7主要连接框和腹板框 338
15.7.1高承载框 338
15.7.2受压腹板框 339
15.8地板 339
第16章 初等理论的重要偏差 341
16.1引言 341
16.2屈曲设计依据 341
16.2.1概述 341
16.2.2立柱 342
16.2.3分布式缘条——桁条的设计优化 342
16.2.4屈曲受剪腹板 346
16.3盒式梁开口、约束及后掠效应 348
16.3.1引言 348
16.3.2 Bredt-Batho扭转——开口及约束效应 348
16.3.3后掠翼盒的约束效应 350
16.4接头 351
16.4.1概述 351
16.4.2运输类接头 351
16.4.3生产类接头 351
16.4.4接头细节 352
16.5开口及载荷扩散 352
16.5.1开口 352
16.5.2载荷扩散 355
第17章 总结 357
17.1回顾和分析 357
17.2载荷计算 357
17.3结构设计 357
17.3.1简介 357
17.3.2结构设计检查列表 358
附录A17参考书目 359
符号表 362
附录1飞行工况的应用示例 378
AD1.1举例范围 378
AD1.2 Cranfield Al特技飞机 378
AD1.3飞机数据 379
AD1.3.1概述 379
AD1.3.2惯性参数 379
AD1.3.3几何参数 380
AD1.4设计载荷工况的定义 383
AD1.4.1概述——应用要求 383
AD1.4.2法向机动及速度的设计规定 384
AD1.4.3机动包线图 384
AD1.4.4载荷谱 385
AD1.4.5载荷分析的设计工况 385
AD1.5对称机动——升降舵偏转 386
AD1.5.1引言 386
AD1.5.2飞机特征参数计算 387
AD1.5.3基准飞行情况的载荷计算 387
AD1.5.4定常转动 389
AD1.5.5无校验机动 390
AD1.5.6 Vc下的校验机动 393
AD1.5.7平尾最大设计载荷 393
AD1.5.8升降舵上的载荷 395
AD1.5.9平尾扭矩 395
AD1.5.10应力数据的获取 396
AD1.6横向机动——副翼偏转 396
AD1.7航向机动——方向舵偏转 396
AD1.7.1概述 396
AD1.7.2飞机特性参数计算 397
AD1.7.3无校验航向机动——方向舵的阶跃输入 397
AD1.7.4方向舵的正弦输入 398
AD1.7.5垂尾和方向舵的设计总载荷 399
AD1.7.6方向舵上的载荷 399
AD1.7.7垂尾扭矩 400
AD1.7.8应力数据的获取 400
AD1.8侧滑引起的非对称平尾载荷 400
AD1.9突风和连续紊流的考虑 400
AD1.9.1引言 400
AD1.9.2离散突风——对称飞行 401
AD1.9.3设计包线分析 401
AD1.10模拟仿真 403
AD1.10.1引言——模拟范围 403
AD1.10.2配平状态 404
AD1.10.3俯仰机动 405
AD1.10.4滚转机动（参见AD1.6节） 423
AD1.10.5偏航和侧滑运动 426
AD1.10.6结论 432
附录2对称飞行——平衡过程 433
AD2.1绪言 433
AD2.2基本状态 433
AD2.3分析过程总结 434
AD2.4算例 435
AD2.4.1前言 435
AD2.4.2飞机基本数据 435
AD2.4.3设计状态 436
AD2.4.4配平状态 436
AD2.4.5 3g下定常滚转（常俯仰速度） 437
AD2.4.6俯仰加速 437
AD2.4.7飞机从平飞到3g俯仰抬头的状态的分析 438
AD2.4.8飞机从3g到平飞俯仰低头的状态的分析 439
AD2.5剪切力和弯矩计算 440
AD2.5.1配平平飞状态 440
AD2.5.2 3g定常机动状态 442
AD2.5.3 3g机动的初始抬头状态 443
AD2.5.4从3g到定常平飞的低头俯仰状态 445
AD2.6剪力图和弯矩图 450
附录3非对称飞行——平衡过程 452
AD3.1绪言 452
AD3.2假设 452
AD3.3导数的一致性 452
AD3.4分析过程 453
AD3.5横向平衡算例 454
AD3.5.1前言 454
AD3.5.2基本飞机数据 454
AD3.5.3设计状态 455
AD3.5.4相关数据 455
AD3.5.5基本方程和侧滑基准值 455
AD3.5.6运动加速度和变化率 456
AD3.5.7平衡、剪力和弯矩 456
附录4起落架——载荷分析 465
AD4.1引言 465
AD4.2设计案例 465
AD4.3设计工况 466
AD4.4能量吸收特性分析 466
AD4.4.1引言 466
AD4.4.2每个起落架支柱单元上的静载荷 467
AD4.4.3每个起落架单元的吸能要求 467
AD4.4.4设计着陆质量工况下垂向反作用力 467
AD4.5设计载荷的推导 468
AD4.5.1引言 468
AD4.5.2伴随着阻力和侧滑力的着陆——第7章7.4.2.2节，工况（lc） 468
AD4.5.3侧向力——第7章7.4.3节，工况（1） 469
AD4.5.4高阻力着陆和起落架回弹——第7章7.4.4节，工况（3） 469
AD4.5.5高阻力着陆和回弹——MIL-A-8862分析方法 470
AD4.5.6单轮着陆——第7章7.4.5节，工况（4） 471