飛機(jī)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)-方向舵設(shè)計(jì)

1、飛機(jī)部件課程設(shè)計(jì)長(zhǎng)空無(wú)人機(jī)方向舵設(shè)計(jì)2013/1/15一、 初步方案的確定1.1方向舵的受力形式使用載荷11kN，載荷較小，故選用單梁式方向舵前端外形參數(shù)：X021426484Y012.817.819.619.4由上表可得出最厚位置為64mm處由于平尾與方向舵存在干涉，需要在方向舵前緣開(kāi)一口，深度為50mm，不會(huì)影響到梁。蒙皮由前緣及兩側(cè)壁板組成，為了便于前緣蒙皮的安裝，采用“匚“形梁，如圖所示1.2懸掛點(diǎn)配重參考飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，懸掛點(diǎn)的數(shù)量和位置的確定原則是：保證使用可靠、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、操縱面和懸臂街頭的綜合質(zhì)量輕。 由于載荷較小，初步確定為二或三個(gè)。 增加懸掛點(diǎn)數(shù)量可使操縱面受到的彎矩減小，減輕

2、了操縱面的質(zhì)量，但增加了懸臂街頭的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的難度。 減少懸掛點(diǎn)數(shù)量可是運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)容易，但操縱面上彎矩增大，且不符合損傷容限思想，一般懸掛點(diǎn)不少于2個(gè)。 在長(zhǎng)空無(wú)人機(jī)方向舵中，由于垂尾后掠角為0，且方向舵根稍弦長(zhǎng)相同，所以運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)十分容易，所以采用3懸掛點(diǎn)。 1.3翼肋的布置采用15個(gè)翼肋(含2端肋)，間距90mm由于結(jié)構(gòu)高度較低，為了方便裝配，后部翼肋分為2個(gè)半肋。分別與蒙皮鉚接組成壁板后在與梁鉚接裝配，且左右半肋應(yīng)分別向上、下延伸一小段距離，以方便壁板與梁的鉚接。1.4配重方式配重方式有兩種，即集中配重與分散配重，因本飛機(jī)速度較低，且對(duì)重量較敏感，所以采用集中配重的方式，在方向舵的上下兩

3、端伸出配重塊1.5操縱接頭的布置為使最大扭矩盡可能小，將接頭布置在中間，與中部懸掛點(diǎn)采用螺栓連接1.6開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)支座2前緣開(kāi)口處兩側(cè)采用加強(qiáng)肋，梁腹板開(kāi)口處采用支座的三面對(duì)其加強(qiáng)。支座1支座31.7理論草圖二、總體載荷計(jì)算2.1氣動(dòng)載荷弦向分布根據(jù)已知條件，展向分布均勻，則單位展長(zhǎng)載荷quse=puse/La=11000/1280N/mm=8.59375N/mmqdes=1.3quse=11.171875N/mm再根據(jù)弦向載荷分布及氣動(dòng)中心位置，可得出載荷弦向分布如下圖：根據(jù)面積和氣動(dòng)中心的位置可得a=30.49mm，2.2接頭位置確定接頭2為中部接頭，與操縱接頭連接，位于展向中點(diǎn)，即y2=64

4、0mm由操縱接頭引起的集中力視為全部由接頭2傳走，不對(duì)梁引起額外的載荷。假設(shè)左右對(duì)稱(chēng)布置接頭，則結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為如下形式：查飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第三冊(cè)P76 ，此情形的彎矩圖，知兩個(gè)彎矩極值令Ma=Mb，此時(shí)對(duì)總體結(jié)構(gòu)而言危險(xiǎn)截面處彎矩最小，得y1=185.53mm綜合考慮，方向舵與平尾干涉處的開(kāi)口位置，對(duì)y1稍作調(diào)整，取y1=190mm y2=640mm y3=1090mm2.3操縱接頭受力初選將轉(zhuǎn)軸布置在前緣后80mm處，幾何草圖如下：則由力矩平衡，知Ft*50=Puse*（92.3-80）得Ft=2706N2.4總體內(nèi)力圖建立如下總體坐標(biāo)軸系：yoz平面內(nèi)受力：剪力圖（N）：彎矩圖（Nmm）:扭矩圖

5、（Nmm）：支座反力：N1=4679.3N N2=4939.0N N3=4679.3N最大剪力：Qmax=2557.00N最大彎矩：Mmax=201.62Nm最大扭矩：Tmax=87.95Nm三、零件設(shè)計(jì)及校核3.1梁的設(shè)計(jì)與校核由于Puse較小，故采用加工方便的板彎型材，梁與蒙皮均采用LY-12鋁合金。該材料=2.8×103kgm3,b=420MPa, b=265MPa。 梁采用厚度1=1mm的板材板彎成形。蒙皮厚度暫定為2=0.8mm 3.1. 1梁的受力分析如上圖，梁的慣性矩Jx1=20509mm2對(duì)梁而言，在支座1或支座3處承受的剪力和彎矩最大，有Qmax1=Qmax=255

6、7.00NMmax1=Mmax=201.6Nm此處的扭矩T1=195/640Tmax=26.11Nm考慮梁的受力，盡管梁與蒙皮鉚接在一起，且蒙皮與梁的厚度相差不大，梁附近的蒙皮也可以承受部分正應(yīng)力，但無(wú)法找到適合的經(jīng)驗(yàn)公式，故假定彎矩完全由梁承受，這樣計(jì)算結(jié)果偏于安全。max1=Mmax1*ymax1/Jx1=184.80Mpa剪力和扭矩由梁與后段蒙皮（接頭處前緣有開(kāi)口，不承力）組成的單閉室承受。如圖所示，后段蒙皮用直線(xiàn)近似，如圖所示。如圖取開(kāi)剖面。計(jì)算的閉室面積M1=10206.4mm2設(shè)開(kāi)剖面剪流為q，由于僅梁承受正應(yīng)力，故q僅分布在梁截面上，計(jì)算出的梁開(kāi)剖面剪流如圖。設(shè)閉室常剪流為qo，

7、對(duì)3點(diǎn)取矩由力矩平衡，有q0=9.213.1.2梁腹板校核從圖知梁腹板所受最大剪流為qmax1=79.45N/mm則腹板最大剪應(yīng)力max1=qmax1/=70.53/1Mpa=79.45Mpa而= b1/1.3=203.85Mpa>max1，故梁腹板安全。3.1.3梁緣條校核由前面知道m(xù)ax1=184.80Mpa，而梁緣條還受剪流作用，在1點(diǎn)處剪流最大，1=q1/1=48.21/1Mpa=48.21Mpa。選用第三強(qiáng)度理論，a1= （max2+4*12）0.5=208.44Mpa 而= b1/1.3=323.08Mpa>a1，故梁緣條安全。3.2蒙皮的設(shè)計(jì)與校核3.2.1蒙皮的設(shè)計(jì)

8、蒙皮選用LY-12鋁合金，材料參數(shù)為：=2.8×103kgm3,b=420MPa, b=265MPa。蒙皮厚度2=0.8mm3.2.2蒙皮受力分析蒙皮主要承受扭矩。在前緣沒(méi)有開(kāi)口的地方，扭矩由前后緣蒙皮與梁組成的雙閉室承受：前緣開(kāi)口處，扭矩由后緣蒙皮與梁組成的單閉室承受。扭矩在舵面對(duì)稱(chēng)處最大，此處為單閉室受扭，故此處為蒙皮的危險(xiǎn)截面。此處Q2=2469.50NT2=Tmax=87.94Nm其受力計(jì)算與3.1.1對(duì)梁的計(jì)算過(guò)程基本一致，其閉剖面剪流qo2=15.04N/mm3.2.3蒙皮強(qiáng)度校核max2=qo2/g2=15.04/0.8Mpa=18.8Mpa= b2/1.3=265/1

9、.3Mpa=203.85Mpa可知max2<，故蒙皮安全。3.3肋的設(shè)計(jì)與校核3.3.1后段肋的設(shè)計(jì)初步確定后段半肋的形狀如圖所示，其有效長(zhǎng)度l3=178mm，前后段耳片長(zhǎng)度為14mm，最大高度H=12mm，最大高度處截面如下由于后半段肋受載荷小，采用板彎型材加工，材料為CY-12M，厚度3=0.8mm。材料參數(shù)=2.8*103kg/m3, =420Mpa, =265Mpa3.3.2后段肋的受力分析計(jì)算與校核肋間距為90mm假設(shè)蒙皮的氣動(dòng)力全部傳到肋上，則其載荷圖如下：根據(jù)氣動(dòng)容差要求，氣動(dòng)容差小于1毫米，經(jīng)過(guò)計(jì)算反復(fù)迭代，得出至少需要15根肋。雖然后段肋是分成兩個(gè)半肋，但其展向錯(cuò)開(kāi)的距

10、離并不大，考慮其承受氣動(dòng)載荷時(shí)可將兩個(gè)半肋合成一起考慮。考慮到其布置型式，將其視為懸臂梁。q3=0.05496X240/284.5X1280/14N/mm=4.24N/mm易知其危險(xiǎn)截面為肋根部，其中Mmax3=q3*l3a*l3a/6=40704N/mmQmax3=q3*l3a/2=508.8N而肋根部的慣性矩為：Jx3=14084mm面積為：A3=41.6mm則max3=Mmax3/Jx3*ymax3=53.18Mpamax3=Qmax3/A3=12.23Mpa而 =420/1.3Mpa=323.08pa>max3 故肋受正應(yīng)力安全 =265/1.3Mpa=203.85Mpa>

11、max3 故肋受剪應(yīng)力安全3.3.3中部加強(qiáng)肋設(shè)計(jì)尺寸與普通肋相似，采用LY-12M板彎件，但為保證更大的剛度，將板材厚度加厚至1mm。3.3.4整體端肋的設(shè)計(jì)在方向舵的兩個(gè)端面各布置一個(gè)端肋，材料LY-12M，厚度1mm，緣條寬度10mm，由于其主要作用是支撐翼型，非主要承力構(gòu)件，不需要做強(qiáng)度校核。3.3.5前緣加強(qiáng)肋的設(shè)計(jì)前緣加強(qiáng)肋的主要作用是將開(kāi)口處蒙皮剪流傳至梁上和維持前緣氣動(dòng)外形。采用LY-12M板彎件，其形狀與翼型相同，為加工方便，前端7mm翼型截掉，取厚度1mm，緣條寬10mm。另外，在兩側(cè)與配重塊連接處將其緣條加寬到25mm。安裝時(shí)肋腹板應(yīng)在蒙皮開(kāi)口側(cè)。其強(qiáng)度不做校核。3.4轉(zhuǎn)

12、軸支座的設(shè)計(jì)3.4.1支座設(shè)計(jì)要求保證三個(gè)接頭共線(xiàn)，故接頭應(yīng)有較大剛度，采用LC4CZ，b=600Mpa，b=360Mpa，耳片焊在基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)板彎成型。3.4.2支座受力分析計(jì)算支座2處受到氣動(dòng)載荷引起的剪力以及平衡操縱搖臂的作用力，即支座2受力最大，只需校核支座2即可，其受力見(jiàn)圖如下：則Qmax4=（N22+Ft2）0.5=5631.71N由于每個(gè)接頭有兩個(gè)支座，則每個(gè)支座剪力Q4=2815.855N3.4.3支座剪切校核A4min=（20-6）X2=28mm2max4=Q4/A4min=100.566Mpa而= b4/1.3=276.92Mpa>Cmax4，故剪切安全。3.4.4支

13、座擠壓校核：根據(jù)飛行設(shè)計(jì)手冊(cè)第三冊(cè)bs=0.65eb4/1.3=300Mpabs4 =Q4/（6X2）=234.655，故擠壓安全。由上可知，支座安全。3.5接頭和轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)3.5.1連接接頭的設(shè)計(jì)因?yàn)榉较蚨嬷亓枯^輕，支撐接頭主要受水平方向外力。梁腹板上開(kāi)口高度30mm，考慮到舵偏轉(zhuǎn)，接頭受力雖不大，但考慮其剛度要求，選擇材料為1Cr18Ni9TiA，通過(guò)沖裁制得，板厚取6mm。其受載不大，故不作強(qiáng)度校核。3.5.2軸承的選取由支座的計(jì)算知，接頭處最大剪力為5631.71N，根據(jù)航空機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選取關(guān)節(jié)軸承U6，其容許負(fù)荷為1000kg，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，其代號(hào)為GB304-64-U63.5.3螺

14、栓組合件的選擇與校核由軸承選定螺栓為M6。查航空機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，以及考慮軸承的支座尺寸，防松要求選用帶孔螺栓：GB793-66 M6X22帶槽螺母：GB48-66 AM6墊圈： GB97-66 A6開(kāi)口銷(xiāo)： GB91-67 1.5X16上述標(biāo)準(zhǔn)件的材料均選用30GrMnSiA，查飛機(jī)構(gòu)造設(shè)計(jì)常用參考資料得M6螺栓，該材料的抗拉破壞力為2110X9.8N，破壞剪力為1970X9.8N，b=1110Mpa由支座計(jì)算知螺栓受最大剪力Qmax5=2815.855N剪切校核:由上知Q=1970X9.8/1.3=14850.77N> Qmax5故螺栓受剪安全.擠壓校核:由飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第三冊(cè)，知螺栓擠壓

15、破壞剪力Pjy=0.65X6X2Xb=8580N則Pjy= Pjy/1.3=6600N> Qmax5故螺栓受擠壓安全。3.6搖臂支座設(shè)計(jì)與校核3.6.1搖臂支座設(shè)計(jì)搖臂支座為方向舵提供偏轉(zhuǎn)力矩，剛度要求不高選用LY-12CZ作材料?；A(chǔ)選用1mm厚板材，耳片用2mm厚板材沖裁成形，焊接在基礎(chǔ)上。其外形如下3.6.2搖臂支座校核由于其受作動(dòng)筒的力,Ft=2706N,故單個(gè)耳片受力Q6=1353N剪切校核:Amin6=(16-6)X(2+2)mm2=32mm2max6=Q6/Amin6=42.28Mpa而=203.85Mpa>max6，故其受剪安全。擠壓校核：由飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第三冊(cè)P44

16、查得bs=bX0.65=273Mpa故bs= bs/1.3=210Mpajy=Q6/(4X6)=56.38Mpa<bs，故其受擠壓安全。3.6.3搖臂支座固定用標(biāo)準(zhǔn)件底座用4個(gè)螺栓和2個(gè)鉚釘連接，其強(qiáng)度不作校核。螺栓選用GB67-66 M5X12，螺母選用GB45-66AM5，材料選1Gr18Ni9TiA。鉚釘選用GB867-67 4X8，材料為L(zhǎng)Y-10.3.7鉚釘?shù)脑O(shè)計(jì)與校核3.7.1鉚釘設(shè)計(jì)常規(guī)鉚釘連接處包括梁-蒙皮，肋蒙皮，其夾層厚度在2mm左右。1.根據(jù)飛機(jī)零構(gòu)件設(shè)計(jì) d2取鉚釘直徑為3mm，材料為L(zhǎng)Y10，類(lèi)型為90度沉頭鉚釘。2.根據(jù)航空機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)L=0.8d+，取鉚釘長(zhǎng)

17、度為5mm。鉚釘代號(hào)為：3X5 GB868-67查飛機(jī)構(gòu)造設(shè)計(jì)常用參考資料知此類(lèi)型鉚釘破壞剪力為191X9.8N3.鉚釘間距及邊距展向間距 20mm弦向間距 12mm邊距 5mm3.7.2鉚釘?shù)男：藦恼瓜蚍治觯诙婷嬷虚g位置扭矩最大，其引起鉚釘?shù)募袅ψ畲螅俏ｋU(xiǎn)截面；從弦向分析，鉚釘承受局部載荷引起的剪切與拉伸，在與梁緣條（翼肋根部）處最危險(xiǎn)。綜上可知，需要校核舵面展向中部的與梁緣條鉚接處的鉚釘。1.該危險(xiǎn)位置鉚釘所受剪力來(lái)自?xún)煞矫妫阂皇强傮w扭矩引起的，一是翼肋受彎矩引起的。后段蒙皮周長(zhǎng)l7=481.7mm，估計(jì)單排弦向鉚釘個(gè)數(shù)n7=l7/12，取n7=41個(gè)，假設(shè)扭矩引起的剪力由肋的兩排鉚釘

18、共同承受，且受力均勻。則扭矩引起的單個(gè)鉚釘受剪力為：Tmd1=qo2Xl7/2n7=88.35N翼肋引起彎矩剪力由根部4個(gè)鉚釘共同承受:Tmd2=max3X2X13X1/4N=345.67N則最危險(xiǎn)中鉚釘受剪力為：Tmd=Tmd1+Tmd2=434.02N而T=191X9.8/1.3N=1439.85N>Tmd，故鉚釘受剪安全2.拉伸校核翼肋的局部氣動(dòng)載荷在根部轉(zhuǎn)換為8個(gè)鉚釘受拉伸。Nmd=Qmax3/8=63.6N根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第三冊(cè)，此型鉚釘抗拉剪力為115公斤，考慮其為沉頭鉚釘，抗拉剪力變?yōu)?/2，即75.5公斤，則N=75.5X9.8/1.3N=569.15N>Nmd故鉚

19、釘受拉伸安全。3.擠壓校核由于鉚釘與蒙皮相比強(qiáng)度更高，故校核蒙皮的擠壓強(qiáng)度，根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第三冊(cè)查的0.8mm厚LY-12蒙皮擠壓強(qiáng)度的破壞擠壓力為144公斤，則P=144X9.8/1.3N=1085.54N>Tmd故蒙皮擠壓安全3.8尾刃的選擇尾刃選擇型材XC621-7，材料為L(zhǎng)Y-12，其主要作用為連接上下壁板，維持翼型后緣形狀，其外形如圖所示。四、重量重心估算及配重設(shè)計(jì)4.1質(zhì)量計(jì)算規(guī)定：翼型前緣為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿弦向?yàn)閤正向4.1.1 前緣蒙皮重量重心計(jì)算：計(jì)算重心時(shí)，將前緣按半橢圓環(huán)簡(jiǎn)化，重心位置可參考飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，即x=其中，a=20.6mm b=64mm C=19.8mm d

20、=63.2mm所以X=33.50mm則前緣蒙皮重心在坐標(biāo)系OX中位置為X1=b-X=30.5mm前緣蒙皮有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=1280-110-180=990mm前緣蒙皮總重為W1=2.8*105.31*990=0.2919Kg4.1.2 梁的重量重心計(jì)算查飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)梁重心位置為Xn= F=b+2a=85.6 a=25mm b=35.6mm 則X=7.51mm 所以梁重心在坐標(biāo)系OX中位置為X2=64+7.51=71.51mm梁的總重為W2=2.8*1280*85.6=0.3068Kg4.1.3前緣加強(qiáng)肋重量重心計(jì)算前緣加強(qiáng)肋包括2個(gè)端肋和6個(gè)開(kāi)口加強(qiáng)肋腹板前緣加強(qiáng)肋腹板面積等于翼型前緣面積除去蒙

21、皮厚度即S=*19.0*62.4=1862.34mm2則所有腹板重量為W31=8*2.8*1862.34=0.04172kg查飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，腹板重心位置為X=0.424b=26.4576mm其重心在坐標(biāo)系OX中位置為X31=64-26.4576=37.5424mm緣條前段緣條前段重心位置計(jì)算方式同前緣蒙皮重心計(jì)算，即X= 其中a=19.8mm b=63.2mm c=19mm d=62.4mm則X=32.94mm重心在坐標(biāo)系OX中位置為=64-32.94=31.06mm緣條前段中，2個(gè)端肋緣條寬度各為10mm,加強(qiáng)肋中，最外兩加強(qiáng)肋寬度為28mm 其余各位14mm,所以總寬度L=10*2+28*

22、2+14*4=132mm前段緣條總重為W3''=2.8*132*131.63=0.049kg緣條后端后端緣條和梁腹板鉚接，則其重心在OX坐標(biāo)系中的位置為X3'''=64-0.5=63.5mm14個(gè)后段緣條總重為W3'''=14*2.8*35.6*14=0.0195kg最終加強(qiáng)肋總重為W3=W3'+W3''+W3'''=0.11kg所以重心在OX坐標(biāo)系中位置為X3=39.33mm4.1.4后緣肋的重量重心計(jì)算后緣肋包括2個(gè)端肋，13個(gè)普通肋，1個(gè)后緣中央加強(qiáng)肋后緣端肋226分別計(jì)算腹板

23、和緣條重量重心腹板：X=1/3*226=75.33mmW4=0.5*35.6*226*1*2.8*=0.011Kg緣條 x=0.5*226=113mmW4''=14*226*2.8*2=0.018kg則總重W4=2(W4'+W4'')=0.058Kg重心在坐標(biāo)系OX中位置為X4'=49.36mmX4=64+X4=113.36mm后緣普通肋通過(guò)俯視圖和側(cè)視圖計(jì)算其重量重心其中W5'=2.8*13*206*0.8=0.005998kgW5''=2.8*178*12*0.8=0.004780kgW5'''

24、=2.8*0.5*192*12*0.8=0.002580kgX5'=103 , X5''=114.5 , X5'''=74.7則重心在OX坐標(biāo)系中位置為X5=98.83mmX5=-(206-98.83+30)+315=167.83mm總重為W5=13（2W5'+W5''+2W5'''）=0.2852kg中央加強(qiáng)肋中央加強(qiáng)肋蒙皮厚度為1mm，其形狀通普通肋，故其重心在OX坐標(biāo)系中X6=167.83mm重量為W6=0.0274kg4.1.5后段蒙皮為計(jì)算方便，將后段蒙皮的尾段計(jì)入尾刃中，而尾刃按照三角形

25、計(jì)算蒙皮面積近似為A=2*(315-64-42)*1280=535040則蒙皮總重為W7=2.8*535040*1=1.498kg其重心在OX 坐標(biāo)系中位置為 X7=64+0.5*（315-64-42）=168.5mm4.1.6尾刃為了便于計(jì)算尾刃橫截面面積，將尾刃簡(jiǎn)化其中，尾刃角近似估算為arctan()=4.47°=0.078rad則尾刃橫截面棉結(jié)近似為A=0.5（）*其中R1=42mm R2=28mmA=99.39尾刃總重為W8=AL=2.8*99.39*1280=0.3562kg尾刃重心在坐標(biāo)系中位置為X8=其中 X=1/3*42=14mm , x'=1/3*28=9.33mm則X8'