课程设计 梦想三号.docx

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课程设计梦想三号

课程设计（论文）

院（系）名称

专业名称

题目名称

垂尾设计

学生姓名

班级/学号

指导教师

成绩

2015年10月

北京航空航天大学

本科生课程设计（论文）任务书

Ⅰ、课程设计（论文）题目：

梦想3号垂尾设计，垂尾各个零件设计，零件Catia建模及部件组装，垂尾载荷计算及校核

Ⅱ、课程设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：

垂尾安装角为0°，上反角取90°，后掠角取35°，展弦比AV=1.2，梢根比λV=0.6

Ⅲ、课程设计（论文）工作内容：

我们负责的是梦想三号垂尾设计，其中包括垂直安定面和方向舵。

主要的工作为设计及绘制垂尾的各个零件图，以及垂尾部件的组装。

还有垂尾载荷计算及垂尾强度校核。

目录

1梦想三号简介1

1.1梦想三号概况1

1.2梦想三号特点1

1、安全性1

2、通勤性1

3、飞机快拆、易用性的创新2

2尾翼的功用、设计要求和外载特点2

2.1尾翼的功用2

2.2尾翼设计要求2

2.3外载特点2

3垂尾总体参数及具体尺寸设计3

3.1垂尾总体参数3

1、初步设计要求3

2、尾翼外形参数4

3.2具体尺寸5

4零件设计及装配5

4.1垂尾零件6

4.1装配图6

5载荷计算及垂尾校核7

5.1载荷计算7

5.2垂尾校核8

1、Catia的翼梁分析8

2、Ansys整块垂尾分析10

6课程设计总结12

结论：

13

参考文献：

14

附录C：

14

1梦想三号简介

1.1梦想三号概况

近年来，通用航空在中国即迎来了快速发展的阶段。

轻型运动飞机具有其广阔的市场、方便的适航审定流程，将使其成为通用航空市场的宠儿。

借“爱飞客”轻型运动飞机设计大赛的机会，我团队全体成员设计出了“梦想三号”。

本架飞机作为参加“爱飞客”轻型运动飞机设计大赛的参赛作品，从通航飞机市场情况、比赛规则要求和国内外先进同级飞机技术特点出发，制订了较为稳妥的轻型飞机设计方案。

1.2梦想三号特点

1、安全性

梦想三号轻型运动飞机采用前拉使发动机、下单翼的常规布局形式。

这种布局形式将带来以下好处：

（1）有一定上反角的下单翼既可以使飞机具有一定的运动性又可以保证飞机的纵向稳定性；

（2）前拉式发动机在起飞降落时，可以提供一定的抬头力矩，保证更好的起降性能，在水上起降时尤其如此；

（3）前拉式发动机在水上起降时还可以减少水花溅起对发动机的影响；

（4）加装了伞降系统，在飞机故障或误操作导致飞机失速时可以保证飞机以正常姿态平稳降落，最大限度地保障了人员安全。

2、通勤性

“梦想三号”考虑了飞机的多用途性。

机身座舱后部设计了可拆装的载荷舱，可实现方便快捷的飞机功能拓展。

（1）航拍，搭载航拍套件（本机设计有三轴云台），用作影视剧制作；

（2）航测，搭载遥测设备，用于地质勘查、救灾抢险；

（3）农药喷洒套件，用于农药作业；

（4）备用油箱，用作长航时飞行；

（5）反恐维稳，搭载武器装备、宣传、震慑装备等；

（6）军事用途，搭载光电吊舱、雷达设备，用作空中侦察、预警；

3、飞机快拆、易用性的创新

（1）机翼机身连接处、平尾机身连接处设计了快拆结构，便于组装、维修、运输

（2）将易损坏的部件直接用新部件替换掉，便于爱好者自己维护。

2尾翼的功用、设计要求和外载特点

2.1尾翼的功用

尾翼是安装在飞机后部的起稳定和操纵作用的装置。

垂直尾翼由固定的垂直安定面和可动的方向舵组成，它在飞机上主要起方向安定和方向操纵的作用。

2.2尾翼设计要求

尾翼的功用是通过它所产生的升力实现的。

所以从本质上说尾翼的功用就是产生偏航气动力，因而尾翼的设计要求和构造与机翼十分类似。

对尾翼的主要要求也是保证它所承担的空气动力的任务的完成；应具有足够的强度、刚度、损伤容限、寿命而重量尽可能轻。

2.3外载特点

决定垂尾严重载荷的情况包括驾驶员诱发的偏航机动、发动机失效引起的偏航机动和横向突风，在CCAR25部中对应的设计条款是25.351、25.367和25.341。

在设计载荷时，这些条款均贯彻执行，本文的研究重点为驾驶员诱发的偏航机动所引起的垂尾载荷设计。

CCAR25.351对驾驶员诱发的偏航机动提出了详细要求，该机动基本上是无明显耦合滚转的平面机动，机动是应协调偏转副翼等横向操纵面使机翼保持水平姿态（一般应控制飞机滚转角在变化5度之内），这样可获得更大的侧滑角，从而得到更为严重的侧向载荷。

需要考虑如下机动：

机动1：

当飞机以稳定水平直线飞行时，方向舵以最大偏转速率偏转至最大可用偏度，此时飞机的侧滑角还比较小，该机动点通常是方向舵的严重受载情况，垂尾压心靠后。

机动2：

当方向舵偏转至最大可用偏度并保持舵面偏度使得飞机达到最大侧滑角（即超调点），该机动点通常是垂尾或其他部件的侧向载荷设计情况，对垂尾而言，其压心比较考前。

机动3：

当侧滑角到达稳定侧滑角时，方向舵回到中立位置，此时垂尾压心回到正常压心位置。

方向舵最大可用偏度的确定：

对于给定布局的飞机，垂尾的设计载荷通常是由方向舵的最大可用偏度决定，其确定方法一般遵循以下原则：

参考其他飞机和规范，确保飞机机动能力合适，飞机侧滑角在合理范围内；

确保垂尾、方向舵和起落架舱门等部件的侧向载荷量值合理；

侧风着陆时飞机有能力消除侧风的影响；

不同速度下尽可能做到等强度设计；

方向舵和副翼最大可用偏度要协调[1]。

3垂尾总体参数及具体尺寸设计

3.1垂尾总体参数

1、初步设计要求

起飞质量

<600kg

载客

160kg（2人）

升限

4500m

翼载荷

46kg/㎡

巡航速度

200km/h

起降距离

<80m

航程

1200km

油箱容积

120L

巡航高度

600-1000m

2、尾翼外形参数

平尾容量

，

垂尾容量

平尾容量初步定为0.55,lh=5m

由此可得平尾面积为2.43㎡

机翼参数

上反角

安装角

展弦比

后掠角

梢根比

参数值

0-12

0-3或可变

3.4-7.4

0-35

0.39-1.0

其中本机平尾展弦比取6，根梢比取0.6

平尾展长：

平尾根弦长：

平尾梢弦长：

垂尾容量初步定为0.07，lV=5.2m

垂尾面积为1.2㎡

机翼参数

上反角

安装角

展弦比

后掠角

梢根比

参数值

90

0

0.8-1.7

0-45

0.32-1.0

参考上表，垂尾安装角为0°，上反角取90°，后掠角取35°，展弦比AV=1.2，梢根比λV=0.6，则可计算求得：

垂尾展长：

垂尾根弦长：

垂尾梢弦长：

3.2具体尺寸

作为飞机的单个结构，其结构安全与否和质量问题显得尤为重要。

我们通过查阅相关的飞机设计手册与去航空馆实地测量，并且在小组一起讨论下得到各个部件的尺寸。

经过查阅确定尺寸如下（单位：

mm）

腹板

2

肋

2

蒙皮

1

后墙

2

转轴

10

安定面与舵面的间隙

6

舵面上下面间隙

5

在这里让我的想法改变很大，很多部件很薄，甚至比航模的材料还要薄（虽然材料的弹性模量、切变模量不一样）。

4零件设计及装配

4.1垂尾零件

安定面后肋

安定面前肋

方向舵肋

后墙

方向舵

4.1装配图

5载荷计算及垂尾校核

5.1载荷计算

计算如下三种载荷[2]：

1、由初始状态偏转方向舵瞬时所受载荷

2、突然蹬舵后产生动态过偏转时的初始机动状态（假设过偏转系数Kβ=1.4）

3、飞机在某一偏航角飞行并处于平衡状态时，方向舵突然返回中立位置的瞬时情况。

4、计算飞机动压

其中

为当量空速

其中

为真实速度，

为密度比，选择800km的巡航高度并查阅标准大气特性表可得到

又根据方向舵最大偏转角为

1、在瞬时偏转方向舵，即初始机动时：

其中

为偏航力矩系数与方向舵舵偏角曲线斜率，可根据曲线得到

故

2、突然蹬舵后产生动态过偏转时的初始机动状态（假设Kβ=1.4）

又查的

根据曲线可查的

故可得

3、飞机在某一偏航角后产生动态过偏转时的初始机动情况

又

根据曲线可查的

故可得

综合考虑，取最大值

5.2垂尾校核

1、Catia的翼梁分析

将翼梁结构在catia中完成绘制后进行有限元分析，首先进行网格划分，之后进行固支方式的选择，选择在根部进行固支，通过计算的载荷进行加载，然后得到变形图和应力图，可进行强度校核分析。

图1翼梁结构图

图2固支方式

：

图3加载方式

图4应力张量图

图5主应力

2、Ansys整块垂尾分析

Ansys中对整块机翼进行了整体的受力分析，在翼尖1/3处加载进行分析。

分析其变形及主应力情况。

图6网格划分

图7变形图

图8应变图

经过查阅可知

在巡航状态下，该垂尾翼尖最大变形量许用值为0.05m

由分析可知，最大变形为0.032m

结构满足强度及刚度要求。

6课程设计总结

本次设计是梦想三号垂尾，由于是小型运动飞机的部件，起初并没有觉得很复杂，但是慢慢开始的过程中，让我们付出很多时间，也硬着头皮做了很多，学到许多平时书本学习中学不到的知识。

课程设计初期需要确定垂尾外形的大体参数，总设组并没有给出完备的数据，而且在经过我们的验算后，发现一些错误，相差较大，因此希望在之后的课程中，能够有人检查总设组的计算结果，如果总设组出错，后期发现问题的话，所有工作需要全部开始重新做。

开始垂尾零件设计的时候，我们在很多零部件的尺寸上发生分歧，最后在查阅《飞机设计手册》和去航空馆实地测量后才得到具体数据，充分运用了已有经验。

我们感到飞机减重的概念，很多零件的厚度只有1mm，这是其他工具零件所无法达到的。

画图时软件的不熟练让我们付出许多精力，使用catia时，初期的零件设计需要我们学习从新学习，尤其在确定使用钣金结构之后，大大增大了软件学习量。

装配也很麻烦，很小的干涉就会导致装配的失败，因此在画零件图时需要严格把握零件尺寸。

最终在十一假期花了很多时间之后成功完成任务。

进行垂尾载荷计算时，没有从过去的课本中查阅到相关信息，上网查阅也没有收获，经历了一段迷茫的时期。

最终，在程小全老师翻译的《实用飞机结构工程设计》中查阅到相关的内容，并完成载荷计算。

这里感到一种震撼，如果一个人能够翻译一本自己领域的书籍，可以学到很多内容，包括专业知识、专业思想和语言知识。

进行有限元的分析时，同样遇到很多问题，ANSYS软件的不熟悉让结构的分析变得很困难，导入模型这一过程很麻烦，错误很多，方法也很多，在不断的试错和请教其同学的情况下完成了整体垂尾模型的导入及其校核，但是对于更复杂的零件，还需要进一步学习。

对梁的校核使用catia自带的有限元分析模块，划分网格需要的零件不能过于复杂，需要删去一些非必要的部分才能完成网格的划分，然后根据之前所计算的载荷进行加载，最终也完成了校核。

完成垂尾的任务后，将其交给机身组进行装配。

结论：

这次设计任务是梦想三号的垂尾，我们从总设组拿到全部参数之后，从设计、画图

到强度校核都相应完成，并且装配至机身。

顺利完成所安排的任务。

参考文献：

[1]《大型飞机垂尾飞行载荷设计》.侯宗团郭兆电.中航工业一飞院

[2]《实用飞机结构工程设计》.MichaelC.Y.Niu航空工业出版社.1983

[3]《航空结构有限元分析指南》.叶天麒周天孝航空工业出版社.1996

附录C：

图9前肋

图10方向舵肋

图11翼梁