強度計算在飛機設計中的作用

龔堯南

飛機是最精密的機器之一，它集中了一切現代先進科學技術的新成就，并且在生產實踐中不斷地向科學工作者提出新的問題，要求他們及時解決，從而推動科學技術的進一步發展。

大體說來，這些現代科學技術在飛機制造中的應用可以歸納為五個方面，即：構造、工藝、空氣動力、強度以及設備。這里我們將著重談一下強度的問題。

飛機強度計算在飛機設計中占有極其重要的地位。每一架新飛機的產生包含著許多強度計算工作者及試驗人員的辛勤勞動，沒有這些計算和試驗，人們是無法獲得合理的(既輕而又安全可靠的)飛機結構。一般所謂強度就是指承受外載荷的能力(承載能力)，但是，我們在這里所說的飛機強度計算，不僅是指計算飛機和它各個部件(如機翼、機身、尾翼、起落架等)的承載能力，而且還包含著更為廣泛的內容。如果粗略地劃分一下，那么我們這里所說的強度計算包括：(一)確定外載荷；(二)計算飛機及其部件的靜力強度；(三)計算飛機及其部件的動力強度。

飛機在空中飛行及在地面滑跑時，受到空氣動力(如升力、阻力等)和地面反作用力的作用，這些力在飛機使用過程中是千變萬化的，它們的大小和分布情況與飛機的飛行高度、飛行或降落的速度和姿態，飛機的類別(旅客機，殲擊機，轟炸機等等)有著密切的關系?？墒?，究竟應該按哪些飛行或降落的姿態來計算飛機的強度呢？在這些姿態中又有些什么力作用在飛機上，而且它們的數值和分布又是怎樣的呢？很明顯，如果低估了這些力的數值，或者遺漏了什么嚴重的飛行或降落情況，就會使飛機在使用過程中失事；但如果高估了這些力的數值，又會使飛機增加不必要的強度(也就是要增加飛機的結構重量)而降低了它的性能。于是，確定用來計算飛機強度的飛行或降落情況(叫做設計情況)以及與這些情況相應的外載荷的數值和分布，就成為強度計算工作者(及氣動力計算工作者)的一項重要任務。通常它們是由專門的研究機構進行長期的理論研究和試驗，并在實踐中加以驗證而規定下來的；隨著飛機的發展，它又不斷地改變。

有了這些外載荷以后，下一步就是計算飛機在靜力作用下的強度和變形(或者是剛度)，所謂靜力是指(相對地)穩定的載荷。靜力強度的計算方法不是一成不變的，它隨著飛機的發展而發展著。在本世紀的二十年代，飛機的構造非常簡單，那時計算飛機強度的方法也是非常簡單的。后來為了提高飛行速度，人們采用了金屬的薄板來作為飛機的外表皮(蒙皮)以減少阻力。這就是我們常說的薄壁結構。由于飛機的結構有了這一改變，強度計算工作者就必須要探索和制訂出一套適應于這一新結構的計算方法。從四十年代以來，又相繼出現了氣密座艙，后掠式及三角形的機翼，蜂窩結構等新的構造型式，強度計算工作者通過他們的頑強勞動及時地解決了或正在解決這一系列的新問題。結構的日益復雜及快速電子計算機的問世正在使強度計算的方法向著與這個新技術相協調的方向轉變。

這里必須提到強度試驗工作。它對計算方法的發展起了非常巨大的作用，人們常常從試驗結果的分析或者從對試驗中出現的現象的觀察中找到計算方法。當然，試驗技術本身也是在發展的，它從原先簡單的機械式測量改變到今日的大量應用電子學方面的一切新成就，試驗工作中的自動化程度也在日益提高?，F在，實驗應力分析這門學科已經是強度計算中的一個不可或缺的重要組成部分了。

強度計算的任務還不僅是要說明在某些外載荷作用下結構是否會破壞，而且更重要的是要尋覓最合理的結構形式。如果幾種不同形式的結構可以承受相同的載荷，必然，重量最輕的那一種結構是最合理的。強度計算工作者應該找出為設計合理結構所必需的一些原則和方法。

但是，飛機在使用過程中所受到的載荷并不經常都是穩定的。們往往在有規則地或不規則地重復著。最簡單的兩個例子就是由于發動機的振動和在不平靜氣流中飛行時在飛機上產生的重復載荷。它們會使飛機或它的某些部件發生疲勞，從而導致結構的損毀。如果在靜載荷作用下結構能承受(比方說)100公斤的力，那么當它在承受重復作用的載荷時也許就只能承受40公斤或甚至更少。因此，強度計算的另一個任務就是要求得重復載荷對結構強度的影響，或者找出消除疲勞的有效方法。這就是動力強度問題的一部分。動力強度中的另外一些內容由于生產實踐的需要而進行大量研究的結果，到今天已經形成了一門新的學科——空氣彈性力學，并且在飛機設計中占著愈來愈重要的地位。

空氣彈性力學所研究的，是由于結構的彈性(而產生的變形)和相對于飛機流動著的空氣的交替作用而產生的效果。比方說，飛機的機翼在飛行中受到外界偶然的擾動而增加了它的變形，變形的增加反過來又導致作用在機翼上氣動力的增加。超過某種特定的飛行速度以后，這部分增加的氣動力又使機翼繼續變形。這樣反復相互影響的結果，機翼很快就破壞了。這種現象叫做“擴散”，這個特定的飛行速度就叫做發生擴散的“臨界速度”。在處理這個問題時，我們的任務首先就在于求出臨界速度和結構彈性之間的關系，看看這個速度是否低于飛機的最大飛行速度，如果低于的話，應該怎樣最有效地來提高它，保證飛機在所有的飛行條件下都不致產生這種現象而破壞。屬于空氣彈性力學范疇的問題尚有副翼的“反逆”，機翼、尾翼以及細長體機身的“顫振”，尾翼的“脈振”等等。當飛行速度接近或超過音速時，結構尺寸的選擇常常是基于這方面的考慮。

最近幾年，由于飛機的飛行速度迅速提高，因而產生了一個嚴重的新問題，這就是“熱障”。當飛機以高速度飛行時，空氣和飛機的外表面由高速摩擦而產生了大量的熱，增加了飛機的表面溫度，這就是氣動力加熱。飛機的飛行速度愈高，飛機外表面的溫度也愈高，例如當飛機以三倍于音速的速度飛行時，飛機的表面溫度可以高達295℃。氣動力加熱不僅使材料的性能大大降低，而且會在結構中產生額外的力。氣動力加熱的影響，使以往在疲勞、空氣彈性以及結構承載能力的計算等方面所取得的成果必須重新加以考慮。實驗的條件也復雜了，必須在實驗室中同時模擬飛機瞬時受到的力和溫度。這就是目前對飛機強度計算工作者提出的新課題。

由此可見，強度計算這門學科發展得快還是慢會影響到航空發展的速度，雖然在今天來說強度計算領域內已經有了極為豐富的內容，解決了許多新問題，但是離開我們征服宇宙的要求還有相當一段距離，還有許許多多工作等著我們去做，強度計算這門學科尚有待我們去進一步發展，需要有更多的人參加到這個行列中來。年青的航空愛好者要有這樣的宏偉志愿：決心為征服宇宙的偉大理想，為祖國的航空事業和共產主義建設而貢獻出自己的一切。