强度计算在飞机设计中的作用

龚尧南

飞机是最精密的机器之一，它集中了一切现代先进科学技术的新成就，并且在生产实践中不断地向科学工作者提出新的问题，要求他们及时解决，从而推动科学技术的进一步发展。

大体说来，这些现代科学技术在飞机制造中的应用可以归纳为五个方面，即：构造、工艺、空气动力、强度以及设备。这里我们将着重谈一下强度的问题。

飞机强度计算在飞机设计中占有极其重要的地位。每一架新飞机的产生包含着许多强度计算工作者及试验人员的辛勤劳动，没有这些计算和试验，人们是无法获得合理的(既轻而又安全可靠的)飞机结构。一般所谓强度就是指承受外载荷的能力(承载能力)，但是，我们在这里所说的飞机强度计算，不仅是指计算飞机和它各个部件(如机翼、机身、尾翼、起落架等)的承载能力，而且还包含着更为广泛的内容。如果粗略地划分一下，那么我们这里所说的强度计算包括：(一)确定外载荷；(二)计算飞机及其部件的静力强度；(三)计算飞机及其部件的动力强度。

飞机在空中飞行及在地面滑跑时，受到空气动力(如升力、阻力等)和地面反作用力的作用，这些力在飞机使用过程中是千变万化的，它们的大小和分布情况与飞机的飞行高度、飞行或降落的速度和姿态，飞机的类别(旅客机，歼击机，轰炸机等等)有着密切的关系。可是，究竟应该按哪些飞行或降落的姿态来计算飞机的强度呢？在这些姿态中又有些什么力作用在飞机上，而且它们的数值和分布又是怎样的呢？很明显，如果低估了这些力的数值，或者遗漏了什么严重的飞行或降落情况，就会使飞机在使用过程中失事；但如果高估了这些力的数值，又会使飞机增加不必要的强度(也就是要增加飞机的结构重量)而降低了它的性能。于是，确定用来计算飞机强度的飞行或降落情况(叫做设计情况)以及与这些情况相应的外载荷的数值和分布，就成为强度计算工作者(及气动力计算工作者)的一项重要任务。通常它们是由专门的研究机构进行长期的理论研究和试验，并在实践中加以验证而规定下来的；随着飞机的发展，它又不断地改变。

有了这些外载荷以后，下一步就是计算飞机在静力作用下的强度和变形(或者是刚度)，所谓静力是指(相对地)稳定的载荷。静力强度的计算方法不是一成不变的，它随着飞机的发展而发展着。在本世纪的二十年代，飞机的构造非常简单，那时计算飞机强度的方法也是非常简单的。后来为了提高飞行速度，人们采用了金属的薄板来作为飞机的外表皮(蒙皮)以减少阻力。这就是我们常说的薄壁结构。由于飞机的结构有了这一改变，强度计算工作者就必须要探索和制订出一套适应于这一新结构的计算方法。从四十年代以来，又相继出现了气密座舱，后掠式及三角形的机翼，蜂窝结构等新的构造型式，强度计算工作者通过他们的顽强劳动及时地解决了或正在解决这一系列的新问题。结构的日益复杂及快速电子计算机的问世正在使强度计算的方法向着与这个新技术相协调的方向转变。

这里必须提到强度试验工作。它对计算方法的发展起了非常巨大的作用，人们常常从试验结果的分析或者从对试验中出现的现象的观察中找到计算方法。当然，试验技术本身也是在发展的，它从原先简单的机械式测量改变到今日的大量应用电子学方面的一切新成就，试验工作中的自动化程度也在日益提高。现在，实验应力分析这门学科已经是强度计算中的一个不可或缺的重要组成部分了。

强度计算的任务还不仅是要说明在某些外载荷作用下结构是否会破坏，而且更重要的是要寻觅最合理的结构形式。如果几种不同形式的结构可以承受相同的载荷，必然，重量最轻的那一种结构是最合理的。强度计算工作者应该找出为设计合理结构所必需的一些原则和方法。

但是，飞机在使用过程中所受到的载荷并不经常都是稳定的。们往往在有规则地或不规则地重复着。最简单的两个例子就是由于发动机的振动和在不平静气流中飞行时在飞机上产生的重复载荷。它们会使飞机或它的某些部件发生疲劳，从而导致结构的损毁。如果在静载荷作用下结构能承受(比方说)100公斤的力，那么当它在承受重复作用的载荷时也许就只能承受40公斤或甚至更少。因此，强度计算的另一个任务就是要求得重复载荷对结构强度的影响，或者找出消除疲劳的有效方法。这就是动力强度问题的一部分。动力强度中的另外一些内容由于生产实践的需要而进行大量研究的结果，到今天已经形成了一门新的学科——空气弹性力学，并且在飞机设计中占着愈来愈重要的地位。

空气弹性力学所研究的，是由于结构的弹性(而产生的变形)和相对于飞机流动着的空气的交替作用而产生的效果。比方说，飞机的机翼在飞行中受到外界偶然的扰动而增加了它的变形，变形的增加反过来又导致作用在机翼上气动力的增加。超过某种特定的飞行速度以后，这部分增加的气动力又使机翼继续变形。这样反复相互影响的结果，机翼很快就破坏了。这种现象叫做“扩散”，这个特定的飞行速度就叫做发生扩散的“临界速度”。在处理这个问题时，我们的任务首先就在于求出临界速度和结构弹性之间的关系，看看这个速度是否低于飞机的最大飞行速度，如果低于的话，应该怎样最有效地来提高它，保证飞机在所有的飞行条件下都不致产生这种现象而破坏。属于空气弹性力学范畴的问题尚有副翼的“反逆”，机翼、尾翼以及细长体机身的“颤振”，尾翼的“脉振”等等。当飞行速度接近或超过音速时，结构尺寸的选择常常是基于这方面的考虑。

最近几年，由于飞机的飞行速度迅速提高，因而产生了一个严重的新问题，这就是“热障”。当飞机以高速度飞行时，空气和飞机的外表面由高速摩擦而产生了大量的热，增加了飞机的表面温度，这就是气动力加热。飞机的飞行速度愈高，飞机外表面的温度也愈高，例如当飞机以三倍于音速的速度飞行时，飞机的表面温度可以高达295℃。气动力加热不仅使材料的性能大大降低，而且会在结构中产生额外的力。气动力加热的影响，使以往在疲劳、空气弹性以及结构承载能力的计算等方面所取得的成果必须重新加以考虑。实验的条件也复杂了，必须在实验室中同时模拟飞机瞬时受到的力和温度。这就是目前对飞机强度计算工作者提出的新课题。

由此可见，强度计算这门学科发展得快还是慢会影响到航空发展的速度，虽然在今天来说强度计算领域内已经有了极为丰富的内容，解决了许多新问题，但是离开我们征服宇宙的要求还有相当一段距离，还有许许多多工作等着我们去做，强度计算这门学科尚有待我们去进一步发展，需要有更多的人参加到这个行列中来。年青的航空爱好者要有这样的宏伟志愿：决心为征服宇宙的伟大理想，为祖国的航空事业和共产主义建设而贡献出自己的一切。