飞机结构课设011010206季佳燕

1、飞机部件课程设计长空一号无人机方向舵设计南京航空航天大学飞行器设计技术研究所学院：航空宇航学院专业：飞行器设计与工程班级：0110107学号：011010206姓名:季佳燕指导教师：徐惠民、罗东明时 间：2012.12.24-2013.1.11目录 TOC o 1-1 h z u t 标题 5,2,标题 6,3 3一、设计要求1二、初步方案的确定22.1、结构形式22.2、梁的结构形式32.3、悬挂点配置32.4、翼肋布置42.5、配重方式42.6、操纵接头的布置52.7、开口补强5三、载荷计算与设计计算53.1、展向载荷计算53.2、接头位置确定63.3、梁的设计计算83.3.1、梁和前缘蒙

2、皮的设计83.3.2、前缘闭室计算103.3.3、弯心和扭矩计算103.3.4、梁腹板校核123.3.5、梁缘条的校核133.4、蒙皮设计计算133.4.1尾缘条设计133.4.2、弦向载荷分布计算143.4.3、前缘蒙皮校核143.4.4、后段壁板肋的数量和蒙皮最大挠度校核143.4.5、后段壁板蒙皮正应力校核163.5、肋的设计计算163.5.1、后段肋的设计163.5.2、后段普通肋的校核173.5.3中部加强肋设计213.5.4整体端肋设计213.5.5前缘肋和加强肋设计213.5.6、前缘开口加强肋校核223.6、接头和转轴设计223.6.1、支承接头设计223.6.2、选取轴承23

3、3.6.3、螺栓组合件的选择243.7、支座设计243.7.1、支承接头支座设计243.7.2、摇臂支座设计253.8、铆钉设计273.9、尾缘条设计27四、质量质心计算及配重设计284.1、质量计算284.1.1、前缘蒙皮质量计算294.1.2、梁质量计算294.1.3、前缘肋质量计算294.1.4、后蒙皮质量计算294.1.5、尾缘条质量计算304.1.6、端肋质量计算304.1.7、后半肋质量计算304.1.8、支承支座质量计算314.1.9、摇臂支座质量计算314.1.10、质量和质心计算314.2、配重设计324.3、方向舵重新设计33五、装配工艺流程34六、总结35七、参考资料35

4、35一、设计要求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。图1、方向舵平面尺寸及协调关系 图2、方向舵实物图另外方向舵在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。X03.481042.01112.01181.51320.61390Y09.9729.5823.6617.755.920表1、垂尾翼型（垂尾前缘为原点）（单位：mm）X020406280Y012.8017.8019.6019.40表2、方向舵前段外形（方向舵前缘

5、为原点）（单位：mm） 方向舵最大偏转角为。按飞机强度规范确定方向舵载荷及其分布。安全系数为。方向舵使用载荷为12000N。其载荷分布见图2和图3。图3，展向载荷分布 图4，弦向载荷分布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），其典型剖面见图4。图5、方向舵典型剖面形式由方向舵几何尺寸可知（见表1、2和图5），方向舵面积较小，最大厚度在62mm处为39.2mm。载荷为12000N，相对也较小，故可采用单梁式结构。另外平尾与方向舵前缘

6、存在干涉，需要在方向舵前缘开口，弦向长度为45mm（与前缘的距离），在最大厚度处之前，所以可以采用单梁结构而不用破坏梁。图6、方向舵拟合剖面尺寸翼型厚度为，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7

7、、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。2.3、悬挂点配置操纵面悬挂点的数量和位置确定主要根据以下两点:1、根据操纵面展长和所受载荷的大小确定悬挂点的数目，使操纵面梁有较好的受力特性；2、保证使用可

8、靠，在舵面转动时不卡死；舵面受载荷时的变形不致引起与安定面相碰或突出安定面外形太多。为满足损伤容限设计，一般悬挂点不少于2个。由于载荷较小，所以可以采用3个接头，对称布置。在长空一号无人机方向舵为矩形，即方向舵根稍弦长相同，无后掠，所以运动协调十分容易。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，1330mm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

9、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，理论简图如图所示。图8、初步

10、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，其弦线是各处相等的，所以根据图2可知其载荷沿展向是均布载荷。如图：图9、展向载荷示意图 已知方向舵使用载荷,安全系数，故 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3.2.1、载荷分布 布置3个悬挂点，其中悬挂点A,C对称布置，结构为一度静不定。由B点挠度为零可求解支点约束。由于载荷及约束均对称，所以只分析结构的一半，如图：图10、结构简化图图11、简化结构受力分析图 寻找结构最优解，此时A,B,C中两点或三点的弯矩相近3.2.2、内力图悬挂点最终如图： 图12悬挂点最终位置内力

11、图如下： 图13、剪力分布图图14、弯矩分布图此时 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，

12、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26mm，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15、梁剖面3.3.2、前缘闭室计算图16、前缘拟合外形曲线 图17、前缘和梁闭室简图 如图所示，前缘蒙皮与梁构成一个单闭室。闭室的弯心距离梁腹板mm；转轴位置Z点距离梁腹板15mm，方向舵气动中心Y点距离闭室前缘。根据给定翼型数据拟合前缘蒙皮形状，以上翼面为例由此可得前缘蒙皮长度，前缘闭室面积。3.3.3、弯心和扭矩计算计算闭

13、室弯心：假设在弯心处作用力Qy图18、开剖面剪流如图在点2处左侧断开， 开口剪流计算公式： 剖面静距分布如下： 此时前缘蒙皮没有剪流。由闭室。有：注：负号表示与方向相反。对3点取矩。 分布扭矩在支点处由叠加集中扭矩，扭矩反对称分布，剩余部分扭矩由摇臂支反力提供扭矩在中点平衡： 得扭矩图：图19、扭矩图 所以3.3.4、梁腹板校核方向舵上最危险的截面是方向舵对称面，此处剪力和弯矩最大。，前缘闭室受扭时：腹板中点处剪力最大，有所以，则腹板中剪切应力的最大值为故梁腹板是安全的，且有较大富裕。 3.3.5、梁缘条的校核方向舵中央对称面处弯矩、扭矩、剪力均最大，故方向舵中央对称面处为危险截面。由第三强度

14、理论故梁缘条安全且能较充分发挥梁缘条的作用。3.4、蒙皮设计计算3.4.1尾缘条设计尾缘要与上下壁板铆接装配，且上下两排铆钉错开，所以也是双排铆钉。由于还要满足铆接厚度要求，可初步估算出1mm厚度处距后缘位置为18mm，图20、尾缘条设计图所以可以初步选取尾缘条宽度为43mm。材料同取LY12铝合金。3.4.2、弦向载荷分布计算弦向载荷分布如图21。图21、弦向载荷分布由压心位置可计算出前段2P长度为0.09681b。如下所示：3.4.3、前缘蒙皮校核扭矩主要由前缘闭室承受，扭矩在前缘蒙皮上产生最大剪流有：所以前缘蒙皮是安全的。3.4.4、后段壁板肋的数量和蒙皮最大挠度校核蒙皮与梁和尾缘条及端

15、肋都是单排铆钉连接，所以可以将其简化为四边铰支。这样设计更安全。如图所示为其简化模型。图22、后蒙皮简化模型 图23、弦向蒙皮载荷分布初步选定尾刃长度43mm,肋宽度40mm,将计算模型简化为四边简支约束的矩形板，计算模型如图22。弦向载荷最大值在板的左侧，即：板的右侧载荷为将板所受载荷分解成两部分：均布载荷和弦向直线分布载荷 图24分解图查询飞机设计手册第三册上册（强度计算），矩形板在分布载荷q作用下最大挠度为：1)均布载荷2） 直线分布载荷 由于两种载荷作用时，最大挠度位置不同，所以最大挠度。要使气动容差满足要求，可以增加蒙皮厚度或肋的个数，此时取15根肋（含两端肋）此时：此时。3.4.5

16、、后段壁板蒙皮正应力校核肋间距调整之后，长边比短边为，比值大于3。则根据飞机设计手册第九册P316，对于简支矩形，板长边比短边比值大于3时，有如下表中四边间支矩形板应力计算公式。表4、四边间支矩形板应力计算公式其中P为均布载荷，这里蒙皮载荷不是均布的，取P0以保证安全，其，LY12的，所以求出的正应力大于真实正应力。短边比长边为：比小，再综合考虑上面说的安全考虑，这样的计算是可以接受的。所以蒙皮是安全的。3.5、肋的设计计算3.5.1、后段肋的设计肋承受蒙皮的气动载荷，与梁和尾缘条铆接，相当于简支，所以肋与梁相接处要斜削。与尾缘条连接处厚度小，载荷小，所以也有部分斜削。为加工制造方便，去中间缘

17、条最大高度位于肋与梁连接端的斜削端。所以可以初步设计如下：图25、后段半肋结构简图沿斜边从后缘起分别为13mm,179mm,13mm肋总长有效长度半肋总长度为205mm。本设计中，肋主要承受弯矩，所以主要考虑中间缘条长度，除去前后斜削部分，则其有效长度（中间缘条长度）约为179mm。左右与蒙皮铆接部分的缘条宽度为13mm，取最大高度也为13mm。下图所示为其设计图。 图26 后缘肋3.5.2、后段普通肋的校核后段普通肋承载很小，可用板弯件，用于维持气动外形，增加蒙皮稳定性。肋的材料选用LY-12M，厚度为1mm，肋承受载荷如下图，根据前面算出的肋数量，肋承所受载荷的蒙皮宽度为： 简化计算模型，

18、图27、肋承受蒙皮载荷分布其中： 为方便计算，再次简化计算，假设不考虑尾缘条承受气动载荷，即所有载荷分布作用在肋的有效长度上，如下图所示:图28、简化肋载荷分布则1、2点支反力有： 则半肋上的剪力分布为：图29、肋上剪力分布图半肋上弯矩：图30、肋上弯矩分布图在Q=0处，即 此处，有最大弯矩：此处，半肋中缘条高度 取最大高度为13mm，以便于计算。图31、最大弯矩处肋剖面图计算剖面惯性距：在CATIA里面画出如上图所示截面，利用测量惯量命令， 图32测量惯量测出，重心惯量距为则肋剖面最大正应力有：X=0处，Q最大： 假设剪力全由腹板承受，则最大剪应力：故肋是安全的。3.5.3中部加强肋设计与普

19、通肋相似，采用LY-12M板弯件，尺寸相同，但为保证更大的刚度，厚度为1mm。布置数量为2个3.5.4整体端肋设计在方向舵的两个端面各布置一个端肋，材料LY-12M ，厚度1mm，缘条宽度13mm 图33、整体端肋3.5.5前缘肋和加强肋设计前缘加强肋的主要作用在于将开口处的蒙皮上的剪流传递到梁上。在三个开口的两个端面处各布置一个前缘加强肋，另外配重块连接处（即前缘蒙皮端面）布置一个前缘加强肋。前缘肋采用LY-12M板弯件，其形状为翼型形状，前端为加工方便留有7mm长空隙，取厚度1mm，缘条宽13mm 。为增大刚度，开口加强肋缘条加宽到16mm。在两侧与配重块连接处，为连接蒙皮和配重块，需要双

20、排铆钉连接，所以将其缘条加宽到25mm 。安装时为方便装配，缘条应在开口侧。 图34、前缘肋 图35、前缘加强肋前缘开口加强肋共6个，配重连接前缘开口加强肋共2个；则按长度和间距分配，普通前缘肋可取5个，分布见图。图36、前缘肋布置3.5.6、前缘开口加强肋校核因为前缘开口加强肋的主要作用在于将开口处的蒙皮上的剪流传递到梁上，所以同蒙皮校核相似。扭矩主要由前缘闭室承受，扭矩在前缘开口加强肋上产生最大剪流有：所以前缘开口加强肋也是安全的。3.6、接头和转轴设计3.6.1、支承接头设计因为方向舵重量较小，支承接头主要承受水平方向外力，即气动载荷。 另外舵面需要偏转，最大偏转角为15度，所以要进行可

21、动部位的干涉处理。即接头边缘高度有限制，不能发生干涉。图37、接头干涉处理 腹板高度为36mm ，所以腹板开口的最大高度也是36mm 。设计轴心距离梁腹板为15mm 。开口开到梁处，轴心距开口最大高度点距离为 23.431mm ，假设接头边缘上某一点偏转15度后到达开口最大高度点，则这个点偏转0度时，距轴线的高度为h=13.504mm。即接头最大高度为2h=27.009mm，则设计可取距轴心19.148mm 处最大高度为25mm 。厚度取4mm。为保证强度和耐腐蚀，材料选取1Cr18Ni9TiA不锈钢。接头连接处与支承接头的的形状一样，厚度大，加上材料强度更大，所以接头强度肯定满足要求。3.6

22、.2、选取轴承方向舵接头轴承要保证有转动补偿设计。所以采用带补偿的外球面轴承。接头处最大剪力为2769.5N ，根据航空机械设计手册选取关节轴承U5，其容许负荷为1000kg ，其具体尺寸如下：图38、U5 轴承尺寸 图39、加强支座接头螺栓连接示意图3.6.3、螺栓组合件的选择螺栓组件用于连接支承接头和方向舵与安定面的连接接头。轴承孔直径为5mm，所以螺栓选用M5。螺栓承受的剪切应力大小为：螺栓用GB30- 66 M5X16，材料为 1Cr18Ni9TiA 。螺母选用GB58-66AM5；垫圈选用GB97- 66A5；开口销选用GB91-671.516。3.7、支座设计3.7.1、支承接头支

23、座设计要求保证三个接头共线，故接头应有较大刚度，采用LC4CZ 铝合金，。每个接头有2 个支座，则每个支座剪力 Q=2769.5 N，外形设计如图。受剪面积：最大剪应力：支承接头支座也是设计安全的。图40、接头支座外形 图41、中部加强支座外形中部接头支座为一件两用，还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，如图所示，其上下缘条加长到25mm，腹板也加长加大。图42、接头与支座局部装配图3.7.2、摇臂支座设计摇臂支座为方向舵提供操纵偏转力矩，去平衡方向舵的扭矩，既主要承受操纵反扭矩产生的拉力，载荷相对不大，但刚度要求较高，故可选用LC4CZ 铝合金型材。操纵摇臂半径为最大扭

24、矩有：最大拉力由图可算出承受剪力的最小截面积为：则最大剪应力：所以摇臂支座安全 。为保证强度也可采用高强度钢来制作支座图43、摇臂支座为保证连接强度，在方便安装螺栓的上边的外侧两个孔处，底座用2个螺栓连接，剩下4个孔用铆钉连接。 铆钉选用HB6235-89-13 螺栓选用GB30-66 M5X203.8、铆钉设计1）铆钉连接处包括梁-蒙皮、肋-蒙皮、壁板尾缘条连接，其夹层厚度为2mm 。根据飞机零构件设计取d=3mm，材料选用LY10。2）铆钉长度确定 根据航空机械设计手册 L=0.8d+s ；取5mm。3）铆钉间距及边距 取展向间距16mm ；弦向间距16mm ；边距5mm左右。图44、铆钉

25、孔布置图3.9、尾缘条设计尾缘条用来连接上下壁板，维持翼型后缘形状。材料为LY12。为方便装配，设计如下图。此设计中，左右壁板蒙皮宽度和肋长度是不一样的。图45、尾缘条四、质量质心计算及配重设计4.1、质量计算坐标系的定义：将支点定为坐标系原点，翼型对称线为Ox轴。由于铆钉较多，不便计算，所以把铆钉重量计入蒙皮、肋和梁中，即计算蒙皮、肋和梁时，不考虑铆钉开孔。另外接头处螺栓组件轴线即为转动轴，且其质量较小，所以对其可忽略计算。图46、CATIA设计细节图图47、CATIA数字模型由CATIA直接得出装配完成的方向舵的重量和质心位置：质心与转轴距离：。体积：则质量：4.1.1、前缘蒙皮质量计算利

26、用CATIA数字建模，质心与转轴距离：。体积：则质量：4.1.2、梁质量计算利用CATIA设计测量得：质心与转轴距离：。体积：则质量：4.1.3、前缘肋质量计算前缘普通肋：利用CATIA设计测量得：体积：质心与转轴距离：。则质量：前缘加强肋：利用CATIA设计测量得：体积：质心与转轴距离：。则质量：4.1.4、后蒙皮质量计算利用CATIA设计测量得：体积：质心与转轴距离：。则质量：4.1.5、尾缘条质量计算利用CATIA设计测量得：体积：质心与转轴距离：。则质量：4.1.6、端肋质量计算利用CATIA设计测量得：体积：质心与转轴距离：。则质量：4.1.7、后半肋质量计算后半普通肋：利用CATI

27、A设计测量得：体积：质心与转轴距离：。则质量：后半加强肋：利用CATIA设计测量得：体积：质心与转轴距离：。则质量：4.1.8、支承支座质量计算 普通支承支座：利用CATIA设计测量得：体积：质心与转轴距离：。则质量： 加强支承支座：利用CATIA设计测量得：体积：质心与转轴距离：。则质量：4.1.9、摇臂支座质量计算利用CATIA设计测量得：体积：质心与转轴距离：。则质量：4.1.10、质量和质心计算由上可得重量和重心分布表：序号名称数量质心相对位置 x/mm质量M/ Kg质量乘距离/M*x/Kg.mm1前缘蒙皮1-39.2060.45276-17.750908562梁1-8.0460.32

28、48-2.61334083前缘肋5-38.3650.0094304-0.3617972964前缘加强肋6-38.0750.0144228-0.549148115后蒙皮1102.0261.56996160.1767396尾缘条1204.820.48398.928067端肋245.4750.0366241.66547648后半肋2411.910.0223440.266117049后半加强肋211.710.02542560.29773377610接头支座4-8.5130.006468-0.05506208411加强接头支座2-4.2380.0085248-0.03612810212摇臂支座14.18

29、0.00538440.022506792方向舵1243.6782.959144239.990248表3、重量分布则方向舵质心距转轴距离为：4.2、配重设计在方向舵上下两端各设计一个配重块，配重块形式有如下表表4、配重块形式长空一号，速度不高，为加工制造方便，采用圆柱钝头形的弹头式配重设计。配重块前端超过方向舵前缘不宜过长，尺寸要求如图CATIA标注，总长度为162mm,半圆球的直径为30mm,测得其重心离前缘距离为32.103mm，体积为，为缩小体积，采用普通结构钢材，可采用45钢。其密度，则其重量为： 图48、配重块简图 图49、配重模型配重连接处前缘蒙皮也用45钢制成，且与配重是一体的，所

30、以配重长度可适当修形减短。配重处钢蒙皮再与加强肋和端肋铆接装配。则方向舵总重为：。4.3、方向舵重新设计加上配重后，CATIA建模完成最后的方向舵如图50。图50、方向舵完整模型五、装配工艺流程图51、装配工艺流程图装配从零件装配开始，装配成组件之后，各组件再装配成最后的方向舵，所以其装配要按一定的顺序，并且要注意前面设计中提到的装配考虑事项。长空一号方向舵的装配流程如下。6、 总结 长空一号的设计大概做了两个星期，本来以为不需要花太长时间，所以到第二周才开始画CATIA图，画图是个很艰巨的任务，本来想直接用工程制图来画，但是想象不出来方向舵的具体形状，于是就画三维的立体图，原本大三的时候学过CATIA，但隔了太长时间没