飞行器结构学

第六章,翼面的构造与设计,6.1概述,导弹的翼面：各种空气动力面，如弹翼、安定面(尾翼、反安定面)、操纵面(舵面、副翼)是导弹弹体的重要组成部分。弹翼的功用：产生升力，以支持导弹在飞行中的重力和机动飞行所需的法向力。安定面：常指尾翼和反安定面，用以保证导弹的纵向飞行稳定性。,Q剪力M弯矩T扭矩(a)作用于弹翼的分布载荷及集中载荷(b)作用于弹翼的剪、弯、扭作用力单面翼受载示意图,6.2翼面结构型式,6.2.1蒙皮骨架式翼面材料沿四周分布，强度、刚度高，重量轻，被广泛应用在各种飞行器上。(1)单梁式翼面(图6.2.1),单梁式翼面,1翼梁2前墙3翼肋4桁条5蒙皮6后墙7辅助接头8主接头图6.2.1单梁式翼面,单梁式翼面特点,由蒙皮、桁条、翼肋、翼梁、纵墙及连接件组成的。翼梁是沿翼面最大厚度线布置的，这种布置能使梁具有最大的剖面高度，且沿翼展展向按直线变化，在强度和刚度上都有利。翼肋是顺气流方向排列的，翼肋的间距影响屏格蒙皮的横向变形，普通翼肋的间距约为250300mm。一个能传弯的主接头和两个不能传弯但能传剪的辅助接头。,翼面各元件的功用-1,蒙皮它的功用是形成流线形的气动外形，承受屏格蒙皮上的局部气动载荷和承受翼面的扭矩。桁条用以支撑蒙皮，承受和传递蒙皮传来的横向载荷。翼肋用以形成和维持翼面的翼型，与桁条一起支持蒙皮；承受和传递蒙皮、桁条传来的载荷。加强翼肋除了起维形作用外，主要用以承受和扩散翼面中的横向集中载荷，例如副翼通过悬挂点传来的集中载荷。,翼面各元件的功用-2,翼梁：它是梁式翼面的主要受力元件。蒙皮、桁条和翼肋所承受的载荷最后都要传给翼梁。因而，翼面上的全部弯矩、大部分剪力和由扭矩引起的切向力都是通过翼梁传给弹身的。纵墙：结构与梁相似，只是它的凸缘远比翼梁弱，而腹板则较强。它与翼梁一起承受和传递翼面的剪力和由扭矩产生的切向力。连接件：对装配式结构，所有结构元件都通过连接件(如铆钉、螺栓或螺钉等)连接成一体。从而能起承担载荷的作用。,（2）小展弦比单梁式弹翼,如图6.2.2所示：高速飞行的有翼导弹都采用小展弦比(2)弹翼。弹翼的构造特点：翼梁和桁条都垂直于弹身，辅助梁与翼梁斜交于主接头，这样传力路线较短，但梁的上下凸缘和桁条的凸缘都要按弹翼外形呈双曲线变化，工艺性较差。辅助梁：把翼后缘的气动载荷和副翼传来的集中载荷直接传至主接头。翼梁沿翼剖面的最大厚度线布置，翼面后缘布置有纵墙，翼前缘的桁条沿翼弦等百分线布置。元件加工及其装配工艺性较好，且弹翼外形较光滑。这两种弹翼的展弦比都较小，当弦向刚度足够时，可以不布置翼肋。,图6.2.2小展弦比单梁式弹翼,（3）小展弦比多梁式弹翼,如图6.2.3所示：翼梁和桁条：沿翼弦的等百分线布置；由于翼梁后掠，翼梁将一部分弯矩传给根肋。图6.2.3（a）所示弹翼中，三个翼梁都垂直于弹身。前墙：沿翼弦等百分比布置，前缘部分的翼肋垂直于前墙。这种弹翼的前缘可根据热保护要求采用与弹翼主体不同的结构。与单梁式弹翼相比，多梁式弹翼传力较直接，但工艺性较差，与弹身的连接较复杂。,图6.2.3多梁式弹翼,1翼梁2桁条3翼肋4加强框,（4）单块式弹翼,翼肋：等百分线布置，五根翼肋是顺气流方向配置的；上下蒙皮较厚；并有12对可与弹身相连的连接孔，根肋上的槽口用以放置螺帽。蒙皮较厚和桁条布置较密，故弹翼的弯矩是通过由蒙皮、纵墙、桁条组成的壁板承受拉压来传递的；弹翼的剪力由纵墙的腹板传递，扭矩由闭合蒙皮传递。优点：刚度大，蒙皮和桁条的材料能得到充分利用。缺点：不宜在弹翼上开大开口。由于没有翼梁，弹翼的上下壁板是主要受力元件，故弹翼与弹身的连接必须用分散式连接形式，装配复杂。在展弦比较大的弹翼上常应用单块式结构。,图6.2.4单块式弹翼,1纵墙2桁条3翼肋4蒙皮5槽口6对接孔7副翼,6.2.2整体结构弹翼,为了减少阻力和提高翼面的承载能力需要减少翼型高度和增加蒙皮厚度，蒙皮骨架结构弹翼的装配困难，出现了整体结构弹翼。特点：蒙皮与骨架合为一体，零件与它们之间的连接件少；弹翼的蒙皮容易实现变厚度，加强筋可以合理布置；强度、刚度好，承载能力大；气动外形较好，结构简单，材料单一，装配工作量小，生产率高，成本低。,（1）辐射梁式加强筋整体结构弹翼,如图6.2.5所示：由整体加工的上下壁板铆接而成翼根前后缘的两个辅助接头可以提高翼根的弦向刚度，将弹翼的扭矩传给弹身。,图6.2.5辐射梁式加强筋整体结构弹翼,1上壁板2下壁板3铆钉,（2）辐射网格式加强筋整体结构弹翼,由上下整体壁板铆接而成的，辐射加强筋与横向加强筋一起保证弹翼的展向与弦向刚度大致相同。,图6.2.6辐射网格式加强筋整体结构弹翼,（3）菱形网格式加强筋整体结构弹翼,如图6.2.7所示上、下壁板上有菱形网格的加强筋。壁板的前缘与后缘起着纵墙的作用，壁板的根部组成加强根肋，根肋上有14对托板螺帽构成弹翼的分散传力式接头。,图6.2.7菱形网格式加强筋整体结构弹翼,1下壁板2上壁板3前缘4翼尖5副翼6连接件,(4)实心弹翼,如图6.2.8所示：尺寸小的薄弹翼（相对厚度c22.5），常采用实心结构。它可以用机械加工、铸造、锻造等方法加工制成。按照刚度要求，实心弹翼与弹身的连接长度占弦长的2030；实心弹翼的重量较重，但它耗费的工时少，成本低。,图6.2.8实心弹翼,6.2.3夹层结构弹翼,夹层结构弹翼的特点：抗弯能力较大，耐热绝热性好，气动外形好，装配工艺性好。制造工艺较复杂，工艺质量不稳定，特别是接头和分段处加工制造更困难。夹层结构上不宜开舱口。,（1）梁式蜂窝夹层结构弹翼,如图6.2.9所示面积较小的弹翼上常用。翼梁：矩形剖面的，能承弯、受阻、传剪，蜂窝夹芯沿展向排列；在前后纵墙处设置两个辅助接头，增加翼根的弦向刚度，构造简单，零件少，工艺性较好。,图6.2.9梁式蜂窝夹层结构弹翼,（2）轻填料夹层结构弹翼,翼梁为工字形，但凸缘较弱，没桁条，主要受力元件是蒙皮。为了减轻重量，在夹芯上开了几个减轻孔。,（3）玻璃钢蜂窝夹层结构弹翼,主要元件：上下面板和蜂窝夹芯等,6.3铆接翼面的结构设计,6.3.1翼面结构设计的原始依据翼面的功用和工作时间，翼面的理论图、载荷分布、温度分布、设计技术指标；翼面的边界情况等；,6.3.2翼面结构方案的选择,综合考虑所有的设计要求；导弹的飞行速度；翼面的工作时间、翼载、气动加热；翼面的边界情况及其工艺性要求；,方案一：翼面处于助推器上,方案二：翼面在贮箱上,1翼面2副翼3螺桩、螺帽、垫圈4支撑杆5贮箱,6.3.3结构元件的布置,翼梁有两种布置方式：翼弦等百分线布置垂直于弹身轴线布置。,翼肋的布置,翼肋也有两种布置方式：顺气流方向布；垂直于翼梁弹性轴线方向布置。,6.3.4受力元件剖面形状的选择,蒙皮对缝的连接形式：,各种形状的桁条,两种翼肋,翼梁的结构形式和剖面形状,6.3.5设计计算,（1）屏格尺寸与蒙皮厚度,屏格蒙皮计算模型,（2）翼肋,翼肋受载,(3)翼梁,翼梁受载,翼梁凸缘和腹板的计算图,(4)铆缝设计计算,（5）弹翼的变形计算,用共轭梁法求变形,6.3.6弹翼校核计算的整体计算模型,强度校核计算结果的正确性主要取决于计算模型模型的选取与计算目的、计算方法、计算工具和结构本身特点等有关。用有限元计算模型作强度校核计算的整体计算模型,7结构的工艺性,1蒙皮2桁条3翼肋1蒙皮2桁条3翼肋4卡板图6.3.14以骨架为基准图6.3.15以蒙皮为基准,尾翼与助推器的连接协调,6.4小展弦比整体结构翼面设计特点,6.4.1方案选择的特点,化铣零件,6.4.2结构元件布置与屏格尺寸,对辐射加强筋式整体结构弹翼，仅需布置辐射加强筋和确定它的数目。按等强度原则调整蒙皮的厚度，使翼根主接头处附近蒙皮厚一些。,（1）局部固支的实心结构翼面,图6.4.2局部固支的实心结构翼面图6.4.3翼面上的压力分布,（2）辐射加筋式整体结构弹翼,辐射加筋式整体结构弹翼,6.5空气动力加热对翼面结构的影响,（1）空气动力加热式中T未扰动气流的温度（K）;K空气绝热指数，对理想气体1.4；Ma计算点当时当地的马赫数。,(2)气动加热对翼面结构的影响,1）使结构产生热应力。2）使结构刚度下降，使翼面丧失形状稳定性和增加发生颤振的可能性。,6.5.2空气动力加热的一般防护措施,（1）采用新型的耐高温材料；（2）采用热防护层进行隔热（3）采用合理有效的耐热结构,6.6弹翼与弹身的连接构造,对连接接头有三点要求：1）连接可靠，最主要的是保证传力可靠；2)装拆方便、迅速；3）互换性和工艺性良好等。,6.6.1耳片式接头,1翼面主接头2螺栓等3助推器主接头4开口销5轴销6助推器辅助接头7小轴8翼面辅助接头图6.6.1耳片式接头,6.6.2多榫式接头,1前辅助接头2主接头3斜螺钉孔4后辅助接头图6.6.2多榫式接头,6.6.3轴式接头,梁轴式接头,轴颈式接头,6.6.4插入式接头,6.6.5盘式接头,6.6.6燕尾槽式接头,6.7操纵面的构造与设计,6.7.1操纵面的功用与要求1前翼2弹翼3舵面4尾翼5副翼图6.7.1地空导弹,飞航式导弹,1副翼2方向舵3升降舵图6.7.2飞航式导弹,6.7.2操纵面的结构形式,全动式舵面,副翼的可能构造形式,6.7.3操纵面转轴的安排形式,一对水平舵的转轴安排,两对舵面转轴的安排,操纵接头与转轴分离,6.7.4操纵面与弹身或弹翼的连接,1斜螺钉螺帽2舵面3转轴舵面转轴图6.7.10键槽式连接,副翼与弹翼图弹身连接示意,副翼与弹翼、弹身的连接,1接头座2接头耳环3纵墙4转轴5滚珠轴承图6.7.12副翼与弹翼、弹身的连接,6.7.5操纵面转轴位置的选择,图6.7.14转轴位置的选择,6.8折叠弹翼,折叠翼面的功用是：将翼面折转叠合起来与发射箱（筒）内壁相适应，将导弹装入发射箱（筒）中。当导弹发射后，翼面自动展开锁定。折叠翼面的优点：便于箱（筒）式贮装、运输和发射；节省了导弹的贮运空间，增加贮运能力。,（2）设计要求,1）不与相邻结构干涉或碰撞；2）机构简单、安全，工作可靠；3）展开时间、展开角度、展开同时性等运动要求；4）翼面应定位准确，锁定可靠；5）注意整翼的气动外形设计。,(3)设计的初始条件,1）折叠程度，折叠与展开状态的空间尺寸，折叠、展开方向等要求；2）折叠翼所在弹身的结构特点和设备布置等情况；3）展开到位时间、展开角度、展开同时性等参数的数值范围；4）折叠翼质量特性；5）箱式或筒式发射，应明确发射箱、发射筒对折叠翼的要求。,6.8.2纵向折叠翼面与机构,1弹身某舱段后底2支座3弹翼4大扭簧5转轴6卡块7卡块轴8小扭簧图6.8.1卡块弹性轴式折叠翼,弹珠式潜叠舵面,1舵2舵轴3螺钉4舵机5钢球6弹簧7舵机轴承图6.8.2弹珠式潜叠舵面,可伸缩弹翼,1翼根部分2套筒3弹簧4芯杆5撑杆6外翼7副翼图6.8.4可伸缩弹翼,6.8.3横向折叠翼面与机构,1弹簧座2弹翼底座3弹翼本体4右旋弹簧5弹簧座6右旋弹簧7转轴8弹簧座9拨锁锁钉10锁键11弹簧12固定螺钉图6.8.5内弹簧式折叠翼面,折叠翼的结构,这种折叠翼的结构特点：1）零件均隐藏于流线型的弹簧舱体内，不影响弹翼气动外形，有利于高速飞行。2）结构简单，使用灵活、方便、可靠。3）弹翼折叠后没有约束装置，适宜于筒（箱）发射。4）安装弹簧的壳体，突起于弹翼底座与翼面本体两个部分之上，加工有一定困难。,弹簧锥销式折叠舵面,1舵面2螺钉3叉型接头4销钉5小轴6锥销7压簧8叉轴9止退螺钉10扭簧11,12螺钉图6.8.6弹簧锥销式折叠舵面,折叠卷曲翼,1卷曲翼2支座3锁紧件4弹簧座5扭簧6小弹簧7转轴8螺灯,6.8.5设计中的特殊问题,（1）必须进行折叠翼的运动学和展开动力学分析。（2）折叠翼的结构动力分析。（3）折叠翼的展开试验、动响应试验。,习题与思考题,1、翼面结构有哪几种受力型式？画出各种受力型式的翼面草图并说明它