飞机副翼及尾翼结构和受力分析(ppt 79页).ppt

第三章副翼及尾翼结构和受力分析 3 1副翼的结构和受力分析一 副翼的功用使机翼产生滚转力矩 以保证飞机具有横侧操纵性 位置 机翼后缘外侧 机翼后缘内侧的 对副翼的要求 1 结构具有足够的抗扭刚度 2 副翼偏转时产生的枢轴力矩较小 副翼上的空气动力对转轴的力矩 这样 可使飞行员操纵省力 而且还可以减小副翼结构所承受的扭矩 二 副翼的构造1 副翼的构造副翼通常由翼梁 翼肋 蒙皮和后缘型材组成 图3 1 a 副翼一般都做成没有桁条的单梁式结构 图3 1 翼梁 腹板式梁 管形梁翼肋 开有减轻孔蒙皮 现代高速飞机采用金属蒙皮低速飞机采用金属和布质蒙皮 图3 1 b 后缘型材通常在接头开口部位装有斜翼肋 图3 1 c 用斜翼肋 加强板和翼梁组成的盒形结构来承受开口部位的扭矩 2 副翼与机翼连接通常采用两个以上的副翼接头与机翼相连 连接的副翼接头中 至少应有一个接头是沿展向固定的 其余的接头沿展向应是可移动的 用多接头固定的副翼 在飞行中会由于机翼变形 使副翼转轴的轴线变弯 而影响操纵的灵活性 甚至发生卡滞现象 为了解决这一矛盾 有些飞机采用了分段的副翼 它的每一段都独立地连接在机翼后缘的支架上 而各段的翼梁则用可以传递扭矩的万向接头或铰接接头连接起来 图3 2所示为副翼与机翼的典型的连接型式 在机翼加强肋的后部与机翼后梁 或墙 的连接处 安装有若干个支臂 每个支臂上装有一个过渡接头 在副翼的大梁上装有相应个数的双耳片接头 副翼通过这些耳片接头将其悬挂到机翼的支臂上 注意 每个操纵面除一个接头完全固定外 其余接头都有设计补偿 以便于安装和保证运动协调 操纵副翼偏转的作动筒 其作动杆与副翼耳片接头的下耳片连接固定 当副翼操纵作动筒动作时就使副翼绕轴心N偏转 图3 2副翼连接形式 三 作用在副翼上的外载荷在飞行中 副翼象一根固定在机翼上的多支点梁一样承受外部载荷 作用在副翼上的外载荷有 图3 3 1 空气动力q 2 操纵力T 3 支点反作用力R 本例为 R1 R2 R3 注 由于副翼的质量力很小 在受力分析中可以忽略不计 3 3 副翼空气动力载荷的大小与副翼面积 副翼偏转角度和飞行速度有关 成正比 副翼面积越大 副翼偏转角度越大和飞行速度越快 则副翼上所受空气动力载荷就越大 空气动力载荷沿弦向按梯形分布 沿展向与副翼弦长成正比 如图3 4所示 4 副翼在装有支点的横截面上承受的剪力最大 弯矩最大 在操纵摇臂部位扭矩最大 这些部位的结构虽然有所加强 但由于副翼的截面积沿展向变化不大 难以按等强度原则来进行加强 所以 上述部位的强度仍然比其他部位富裕得少些 维护时必须注意检查 四 副翼结构中力的传递空气动力在副翼结构中的传递情况与在机翼结构中的传递情况相似 空气动力 蒙皮 翼肋 翼梁腹板机翼剪力由梁腹板承受 弯矩由梁缘条和有效宽度的蒙皮承受 扭矩由闭周缘蒙皮承受 5 五 副翼的剪力 弯矩和扭矩图图3 6给出了三支点情况下副翼结构的剪力 弯矩和扭矩图 副翼在装有支点的横截面上承受的剪力 弯矩最大 在操纵摇臂部位扭矩最大 6 六 副翼结构的总体应力如前所述 扭矩由闭周缘蒙皮承受 因此 蒙皮内的剪应力为 Mk 2F 1 3 1 式中Mk 扭矩F 周缘蒙皮所围闭室面积 1 蒙皮厚度 梁腹板的剪应力为 3 2 式中H 梁的高度 2 梁腹板的厚度 梁缘条的正应力为 3 3 式中F 考虑附加蒙皮在内的缘条横截面积 3 2襟翼 缝翼和减速板的结构襟翼和缝翼是附于机翼的增升装置 减速板和扰流板为附于机翼的阻力装置 它们主要用于改善飞机的起飞和着陆性能 一 襟翼普通襟翼襟翼开缝襟翼克鲁格襟翼下面介绍典型的开缝襟翼的构造 如图3 7所示为带有导流板的开缝式襟翼的结构 其主要构件包括襟翼 导流板 滑板和收放机构 导流板是固定在襟翼前面 并在此形成特形缝隙 当襟翼偏转时 在机翼后部 导流板和襟翼之间可形成特形双缝隙 从而能获得较大的升力 图3 7开缝式普通襟翼结构 该型襟翼大梁剖面一般为工字形 其上安装了用以固定滑板和收放机构的支臂 滑轨是钢制弧形工字型材 它通过支臂和撑杆连接到机翼的后梁和加强肋上 滑轨缘条的表面进行了磨削和镀铬处理 这种滑板和滑轨结构最简单 也最可靠 因而得到了广泛应用 导流板由隔板 蒙皮和尾部桁条组成 隔板由带缘条的腹板组成 导流板通过安装支座固定在襟翼上 滚珠螺杆式收放机构由传动装置驱动 并通过襟翼大梁上的支臂与襟翼相连 来完成对襟翼的收放 收放机构的第2个支座是机翼加强肋和后梁连接处的接头 由液压来驱动传动轴的旋转 最简单的结构是将襟翼和导流板悬挂在外置支臂上 但附加的阻力会降低飞机在巡航状态的经济性 二 前缘缝翼前缘缝翼是位于机翼前部且有特殊形状的机翼活动部分 当飞行中放下时 在前缘缝翼和机翼前部之间形成特殊形状的缝隙 它使得在大迎角下有稳定的绕流 前缘缝翼的偏转角为200 300 每个机翼上的前缘缝翼均由与机翼骨架相连的几段组成 连接方式或是利用与传动装置相连的导轨和螺杆机构 或是利用前缘缝翼上的支臂和机翼前部的摇臂机构 如图3 8 a 所示 图3 8 a 前缘缝翼的结构由大梁 桁条 肋和隔板 蒙皮 导轨和带滑轮的滑板 固定螺杆收放装置 支臂等组成 如图3 8 b 当收放装置工作时 螺旋收放装置使前缘缝翼沿滑板的导轨移动 在收起和放下状态时 用传动机构的制动装置使前缘缝翼固定 图3 8 b 在某些飞机上 前缘缝翼可以是整体结构或由蒙皮 桁条和翼肋 导轨 滑板系统 作动筒拉杆等组成的结构 如图3 8 c 所示 图3 8 c 三 减速板和扰流板减速板和扰流板位于机翼上表面襟翼之前 减速板在左 右机翼上对称地布置且同时张开或合上 扰流板在左 右机翼上通常也是对称布置的 但只在往其倾斜的那一侧机翼上张开 当减速板或扰流板张开时 引起气流分离 使升力下降 阻力增加 缩短飞机着陆滑跑距离当它们在收起位置时 嵌入机翼中 对飞机的升阻力无影响 扰流板是飞机横向的操纵机构 为了提高飞机相对于其纵轴的操纵效率 扰流板应远离该轴布置 通常放在外侧襟翼的前面 以增大力矩的力臂 减速板则布置在内侧襟翼前面 在减速板不对称偏转时可减小力矩的力臂 着陆时使用减速板可使飞机增大下滑斜率 因为它们使机翼的升力减小 阻力增大 升阻比降低 在着陆滑跑时使用减速板 可缩短滑跑距离 因为它们不仅增大了阻力 还降低了机翼的升力 使飞机下沉 加大机轮与跑道表面的结合力 从而提高刹车效率 当主起落架缓冲器开始压缩时 减速板被锁定 减速板和扰流板均为薄板结构 图3 9为某型飞机上典型的减速板和扰流板结构 每块减速板都由几段组成 各段的主承力结构是与中间的支臂连接的两块板 该板由大梁和两个 形截面的端肋 上 下蒙皮 尾部桁条 金属蜂窝夹芯 前墙和封严型材构成 中间的悬挂支臂是沿整个翼弦的工字形截面整体梁 支臂上有耳片 耳片9用于将各段悬挂到机翼后大梁的支臂上 耳片12用于固定液压作动筒 这种带有中间支臂的整段结构能减轻重量 并提高结构刚度 扰流片的辅助悬挂接头位于两个加强端肋上 图3 9减速板 扰流板结构 3 3尾翼的结构和受力分析一 尾翼的组成 功用及配置方式1 组成水平安定面水平尾翼升降舵尾翼垂直尾翼垂直安定面方向舵 1 对尾翼的主要要求 保证飞机平衡和具有必要的安定性及操纵性 强度 刚度足够而重量轻 尾翼载荷对机身的扭矩应尽可能小 2 功用使飞机能保持俯仰和方向平衡 并使飞机具有俯仰和方向安定性 操纵性 3 配置方式尾翼在飞机上的配置方式有多种 它们是根据空气动力性能和结构受力等方面的要求确定的 最普通的配置方式是将水平尾翼和垂直尾翼分别安排在机身尾部 如图3 10所示 二 尾翼的构造 一 安定面的构造安定面的构造与机翼基本相同 轻型飞机的安定面一般都做成梁式结构 大型飞机的安定面大多做成多纵墙的单块式结构 整体式 采用有坚固中央翼肋的结构型式水平安定面可分离式 采用有坚固侧边翼肋的结构型式 图3 11水平安定面结构 与机身做成一体垂直安定面可拆卸的 十 字形配置的尾翼 垂直安定面通常做成上下两部分 并由梁上的接头连接起来 二 舵面的构造与连接舵面的构造与副翼基本相同 一般都采用没有桁条的单梁式结构 方向舵与垂直安定面的连接接头通常多于两个 当垂直尾翼被水平尾翼分隔为上下两部分时 上下两个方向舵的转轴是用万向接头连接的 低速飞机上 左右升降舵的转轴大多是成一直线的 因此 往往将它做成一个整体 并用几个接头与水平安定面相连 中间的接头通常与操纵臂做成一体 后掠水平尾翼升降舵的转轴不成一直线 所以左右升降舵只能各自用两个以上的接头连接在水平安定面上 左右升降舵的转轴 有的用万向接头连接 有的则分别与操纵机构的两根转动杆相连 三 全动尾翼的结构型式全动尾翼只靠一根转轴与机身相连 转轴式转轴与机身的连接方式定轴式 1 将转轴与尾翼做成一体 安装在机身上的轴承内 叫做转轴式 2 将轴与机身上的加强隔框固定在一起 尾翼安装在固定轴上 并可绕着固定轴转动 称为定轴式 目前广泛使用的是转轴式全动尾翼 单梁式全动尾翼 图3 12 的构造和结构中力的传递 与单梁式机翼基本相同 剪力和弯矩是由主梁直接传给转轴的 扭矩经合围框传递到加强翼肋和侧边翼肋后 要以这两个翼肋受弯的形式传给转轴 12 复合式全动尾翼 其外侧部分的结构为单块式 翼根部分的结构有加强翼肋ab ac bc以及加强蒙皮和加强板等 其转轴是与加强构件牢固地连接的则是由分散受力转为集中受力的过渡型式 在这种结构中 外侧部分的载荷是通过加强构件以集中载荷的形式传给的 弯矩则通过加强蒙皮和加强板传给转轴 扭矩由蒙皮以合围剪流的形式传给加强翼肋bc 再通过由加强翼肋ab ac及加强板组成的盒形结构传给转轴 13 在飞行M数较大 M 2 的飞机上 全动尾翼的结构高度很小 为了保证尾翼结构具有足够的刚度 多采用蜂窝夹层结构或整体结构 梯形或三角形的转轴式全动尾翼采用整体结构时 往往根据它的受力特点将整体壁板上的加强条做成辐射形的 图3 14 这样不但便于将载荷集中到转轴上 而且还能增加尾翼的刚度 14 三 尾翼上的载荷尾翼在飞行中可能受到气动载荷 平衡载荷机动载荷不对称载荷结构质量力很小 通常略而不计 一 水平尾翼的载荷1 平衡载荷飞行中 在飞机的纵向力矩静平衡时 水平尾翼承受的空气动力称为平衡载荷 平衡载荷的大小与机翼上的空气动力力矩有密切关系 水平安定面上的载荷与升降舵上的载荷方向往往相反 2 机动载荷操纵升降舵使飞机作机动飞行时 水平尾翼承受的载荷 称为机动载荷 平衡载荷机动载荷为了破坏原有的力矩平衡而偏转舵面时 所产生的载荷 机动载荷随飞行速度的增大而增大 当飞行M数较大时 会达到相当大的数值 对于水平尾翼结构强度来说 它是一种主要的受力情况 3 不对称载荷水平尾翼的不对称载荷 主要是在侧滑或横滚中产生的 图3 15 15 不对称载荷比机动载荷小得多 但是它对飞机纵轴产生的力矩却很大 不对称载荷所产生的力矩 是随着飞行速度增大而增大的 而且 许多高速飞机的水平尾翼往往安装在垂直尾翼上 垂直尾翼的厚度 结构高度H 较小 在上述力矩作用下 水平尾翼的固定接头以及垂直尾翼 都会受到很大的力 图3 16 除了上述几种载荷外 飞机在飞行中遇到不稳定气流时 水平尾翼也可能与机翼一样受到较大的载荷 阵风载荷 16 二 垂直尾翼的载荷1 机动载荷2 发动机推力 或拉力 不对称时的载荷在双发动机和多发动机的飞机上 当一侧发动机停车而引起推力不对称 或存在不对称的阻力 时 为了平衡不对称力所产生的偏转力矩 垂直尾翼会受到较大的载荷 图3 17 除了上述两种载荷外 飞机侧滑飞行时 垂直尾翼也要受到较大的载荷 对于水平尾翼安装在垂直尾翼上的飞机来说 垂直尾翼还要受到水平尾翼传来的载荷 17 三 全动尾翼的受力作用于全动尾翼的空气动力 由机身内轴承1 2处的反作用力来平衡 图3 18 空气动力产生的枢轴力矩 则由操纵摇臂上的操纵力对转轴的反力矩来平衡 在空气动力 支点反作用力和操纵力的作用下 全动尾翼的结构和转轴要承受剪力 弯矩和扭矩 图3 18 a 轴承2处转轴承受的剪力 弯矩和扭矩都最大 综上所述可知 全动尾翼的一个重要受力特点是 转轴根部要传递全部载荷 它在轴承处承受的剪力 弯矩和扭矩都最大 在维