飞机结构设计课设Word文档格式.doc
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2.3、悬挂点配置 4
2.4、翼肋布置 4
2.5、配重方式 5
2.6、操纵接头的布置 5
2.7、开口补强 5
三、载荷计算与设计计算 6
3.1、展向载荷计算 6
3.2、接头位置确定 6
3.3、梁的设计计算 8
3.3.1、梁和前缘蒙皮的设计 8
3.3.2、前缘闭室计算 10
3.3.3、弯心和扭矩计算 11
3.3.4、梁腹板校核 13
3.3.5、梁缘条的校核 14
3.4、蒙皮设计计算 14
3.4.1尾缘条设计 14
3.4.2、弦向载荷分布计算 14
3.4.3、前缘蒙皮校核 15
3.4.4、后段壁板肋的数量和蒙皮最大挠度校核 15
3.4.5、后段壁板蒙皮正应力校核 17
3.5、肋的设计计算 18
3.5.1、后段肋的设计 18
3.5.2、后段普通肋的校核 19
3.5.3中部加强肋设计 21
3.5.4整体端肋设计 21
3.5.5前缘肋和加强肋设计 21
3.5.6、前缘开口加强肋校核 22
3.6、接头和转轴设计 22
3.6.1、支承接头设计 22
3.6.2、选取轴承 23
3.6.3、螺栓组合件的选择 24
3.7、支座设计 24
3.7.1、支承接头支座设计 24
3.7.2、摇臂支座设计 25
3.8、铆钉设计 26
3.9、尾缘条设计 27
四、质量质心计算及配重设计 27
4.1、质量计算 27
4.1.1、前缘蒙皮质量计算 28
4.1.2、梁质量计算 29
4.1.3、前缘肋质量计算 29
4.1.4、后蒙皮质量计算 30
4.1.5、尾缘条质量计算 30
4.1.6、端肋质量计算 30
4.1.7、后半肋质量计算 31
4.1.8、支承支座质量计算 31
4.1.9、摇臂支座质量计算 32
4.1.10、质量和质心计算 32
4.2、配重设计 33
4.3、方向舵重新设计 34
五、装配工艺流程 35
六、总结 35
七、参考资料 36
一、设计要求
1.1外形协调
方向舵在其活动范围内运动，在任何情形下不得与其支撑结构或邻近构件发生干扰，所以其要满足一定的协调关系。
方向舵平面要满足几何尺寸及协调关系如图1。
这是设计的前提条件。
A（mm）
B（mm）
C（mm）
总载荷（N）
305
1270
1390
10500
图1、方向舵平面尺寸及协调关系
图2、方向舵实际图
图3、最终设计方向舵
另外方向舵在XOY平面内的外形由垂尾翼型后段和方向舵前段外形决定。
垂尾翼型和方向舵外形数据如表1和表2所示。
X
3.48
…
1042.0
1112.0
1181.5
1320.6
Y
9.97
29.58
23.66
17.75
5.92
表1、垂尾翼型（垂尾前缘为原点）（单位：
mm）
20
40
62
80
12.80
17.80
19.60
19.40
表2、方向舵前段外形（方向舵前缘为原点）（单位：
方向舵最大偏转角为±
15°
。
1.2外载荷
按飞机强度规范确定方向舵载荷及其分布。
安全系数为f=1.3。
方向舵使用载荷为10500N。
其载荷分布见图2和图3。
图4、展向载荷分布（与弦长成正比）图5、弦向载荷分布（压心在0.293b处）
为防止方向舵与垂直安定面发生耦合颤振，对与本设计的可逆操纵的方向舵，设计要求质量平衡。
二、初步方案的确定
2.1结构及受力形式
方向舵通常结构采用梁式布局。
操纵面一般都靠近前缘的转轴处布置单梁（即成为单梁式结构），同时由于使用载荷为10.5kN，载荷较小，故选用单梁式。
图6、方向舵典型剖面形式
由表2方向舵外形参数可知，方向舵面积较小，最大厚度在62mm处为39.2mm。
图7、方向舵拟合剖面尺寸
由于平尾与方向舵存在干涉，需要在方向舵前缘开一口，深度为45mm，不会影响到梁。
翼型厚度为，可知其为中等厚度的翼型，对于中翼型的单梁式方向舵，由梁和前缘蒙皮构成主抗扭闭室，前缘布置翼肋，间距通常较小，以便增加蒙皮的强度和刚度，并能承受较大的扭转载荷和局部气动载荷。
后段主要承受气动载荷，由于梁和前缘蒙皮构成主抗扭闭室，即后段翼肋不受扭，所以后段翼肋主要以抗弯和抗剪设计。
另外后段厚度小，从工艺上考虑，不便采用机翼装配中的在蒙皮上开口来方便装配翼肋形式，所以中采用半翼肋的设计，半翼肋与其蒙皮装配形成壁板，两半壁板再与梁和尾缘条装配。
图8、方向舵主要结构视图
尾翼蒙皮一般较薄，长空一号为中速飞机，中速飞机尾翼蒙皮厚度大多等于或小于1mm。
由于方向舵尺寸较小，为装配方便，剖面上由前缘蒙皮、上半蒙皮（上壁板）、下半蒙皮（下壁板）、尾缘条构成。
2.2梁的结构形式
从几何上考虑，在最大厚度处布置单梁后，梁距前缘平尾开口为17mm，此距离不足以在梁前面布置缘条，所以采用“匚”形梁。
从装配工艺考虑，若有前缘条，则前缘蒙皮装配时不便于打铆，造成装配上的困难，所以采用“匚”形梁，对前缘蒙皮铆接装配方便。
图9、“匚”形梁示意图
2.3悬挂点配重
参考《飞机结构设计》，悬挂点的数量和位置的确定原则是：
1、保证使用可靠、转动灵活、操纵面和悬臂街头的综合质量轻。
2、增加悬挂点数量可使操纵面受到的弯矩减小，减轻了操纵面的质量，但增加了悬臂街头的质量和运动协调的难度。
3、减少悬挂点数量可是运动协调容易，但操纵面上弯矩增大，且不符合损伤容限思想，一般悬挂点不少于2个。
由于载荷较小，初步确定为二或三个。
在长空无人机方向舵中，由于垂尾后掠角为0，且方向舵根稍弦长相同，所以运动协调十分容易，所以采用3悬挂点，对称布置。
2.4、翼肋布置
参考如下表各机型的肋间距，长空一号采用铆接壁板，则可初步选定肋间距为160mm，1270mm展长可等间距布置9个翼肋（含2端肋）。
表3、典型机型翼肋间距
由于梁和前缘蒙皮构成主抗扭闭室，即后段翼肋不受扭，所以后段翼肋主要以抗弯和抗剪设计。
另外后段厚度小，从工艺上考虑，不便采用机翼装配中的在蒙皮上开口来方便装配翼肋形式，所以中采用半翼肋的设计，半翼肋与其蒙皮装配形成壁板，左右两半壁板再与梁和尾缘蒙皮装配。
且左右半肋应分别向上、下偏移一小段距离，以方便壁板与梁的铆接。
2.5、配重方式
配重方式有两种，即集中配重与分散配重。
应本飞机速度较低，且对重量较敏感，所以采用集中配重的方式。
在方向舵的上下两端前伸出配重块。
2.6、操纵接头的布置
为使最大扭矩尽可能小，将接头布置在中间，与中部悬挂点采用螺栓连接。
中部接头支座为一件两用，既作为接头支座，又作为摇臂支座与梁缘条连接的加强支柱，所以对其进行加强设计。
2.7、开口补强
前缘开口处两侧采用加强肋，梁腹板开口处采用支座的三面对其加强。
则可初步设计出方向舵，其CATIA初步模型如图8所示。
图10、初步设计的方向舵CATIA数值模型
三、载荷计算与设计计算
3.1、展向载荷计算
方向舵相当于矩形机翼，跟梢比为1，其弦线是各处相等的，所以根据图4可知其载荷沿展向是均布载荷。
使用载荷为10500N，安全系数取1.3，则均布载荷：
图11、展向载荷示意图
展向载荷设计时以弯矩为主要设计载荷。
3.2、接头位置确定
接头布置要使受载情况最好，即使梁的内力最小。
梁的设计载荷以弯矩为主，所以接头布置考虑弯矩分布。
由于对称性，弯矩计算时可取梁的一半做计算。
如图，简化后中间为固支，此为一度静不定梁。
图12、结构简化图
图13、简化结构受力分析图
由位移平衡可以计算出支反力N1大小。
则弯矩有：
时，
时，
可以画出弯矩图:
图14、弯矩分布图
显然在1、2和3点处有弯矩极值。
计算3点的弯矩极值：
，
当1、2两点弯矩相等，且大于等于4点最小弯矩的绝对值时，梁受力最好，此时接头位置最优。
既有：
得到
带入得出：
由此确定接头位置，并可以确定前缘蒙皮开口设计。
图15、前缘蒙皮开口设计图
实际设计上，由于加工和装配精度问题，所以取整数设计，可取接头距离为184mm。
移动较小，后面计算时仍可继续用最佳计算值。
3.3、梁的设计计算
3.3.1、梁和前缘蒙皮的设计
梁可采用压弯型材，压成“匚”形梁，即加工出来的腹板与缘条厚度相同。
受载不大，所以梁的材料可以选用普通易成型的铝合金，如LY12铝合金，其有：
梁的剪力图：
图16、剪力分布图
可计算出其剪力图中极值从左至右分布为
-1978.56,2423.04，-2423.38，2423.38，-2423.04，1978.56（单位：
N）。
即剪力最大值为2423.38N。
梁腹板受剪，腹板最大高度略小于39.2mm，则腹板厚度有：
即腹板厚度可以很小，大于等于0.3mm即可，强度足够了。
考虑到前缘开口影响，腹板会承受额外剪力，所以可取腹板厚度为1mm。
由于方向舵比较小，为保证铆接装配后的方向舵流场特性良好，采用LY10的120度沉头铆钉，铆钉直径可用范围为2.5-4mm。
梁缘条上要铆接前缘蒙皮和后段壁板，所以采用双排平行铆钉，铆钉直径取2.5-4mm，则铆钉边距为5-10mm，则缘条宽度要大于10-20mm。
因为弦线较短，缘条又是矩形，所以其缘条宽度不宜过大，否则会支撑蒙皮时对外形有较大影响。
初步选取缘条宽度为25mm，
中速飞机尾翼蒙皮厚度大多等于或小于1mm。
则可初步取蒙皮厚度为1mm。
图17、梁剖面
则梁剖面惯性矩为：
受载情况有，Q作用下腹板最大剪应力
M作用下最大正应力
3.3.2、前缘闭室计算
根据表2的数据可以用MATLAB拟合出前缘的三次曲线（取前四个点），可近似得到蒙皮的外形。
得：
则前缘蒙皮长度：
此积分困难，所以用MATLAB编程数值积分得长度：
图18、前缘拟合外形曲线
图19、前缘和梁闭室简图
前缘闭室面积：
前缘蒙皮与梁共同构成单闭室结构，设前缘闭室的弯心坐标为（62−,0）。
以翼型前缘为坐标零点。
气动力Qy作用在气动中心为（0.293b,0）即（89.3
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