飞机结构课程设计方向舵设计.docx

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飞机结构课程设计方向舵设计

飞机部件课程设计

长空无人机方向舵设计

2013/1/15

一、初步方案的确定

1.1方向舵的受力形式

使用载荷11kN，载荷较小，故选用单梁式

方向舵前端外形参数：

12.8

17.8

19.6

19.4

由上表可得出最厚位置为64mm处

由于平尾与方向舵存在干涉，需要在方向舵前缘开一口，深度为50mm，不会影响到梁。

蒙皮由前缘及两侧壁板组成，为了便于前缘蒙皮的安装，采用“匚“形梁，如图所示

1.2悬挂点配重

参考《飞机结构设计》，悬挂点的数量和位置的确定原则是：

保证使用可靠、转动灵活、操纵面和悬臂街头的综合质量轻。

由于载荷较小，初步确定为二或三个。

增加悬挂点数量可使操纵面受到的弯矩减小，减轻了操纵面的质量，但增加了悬臂街头的质量和运动协调的难度。

减少悬挂点数量可是运动协调容易，但操纵面上弯矩增大，且不符合损伤容限思想，一般悬挂点不少于2个。

在长空无人机方向舵中，由于垂尾后掠角为0，且方向舵根稍弦长相同，所以运动协调十分容易，所以采用3悬挂点。

1.3翼肋的布置

采用15个翼肋（含2端肋），间距90mm

由于结构高度较低，为了方便装配，后部翼肋分为2个半肋。

分别与蒙皮铆接组成壁板后在与梁铆接装配，且左右半肋应分别向上、下延伸一小段距离，以方便壁板与梁的铆接。

1.4配重方式

配重方式有两种，即集中配重与分散配重，因本飞机速度较低，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伸出配重块

1.5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

1.6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。

1.7理论草图

二、总体载荷计算

2.1气动载荷弦向分布

根据已知条件，展向分布均匀，则单位展长载荷

quse=puse/La=11000/1280N/mm=8.59375N/mm

qdes=1.3quse=11.171875N/mm

再根据弦向载荷分布及气动中心位置，可得出载荷弦向分布如下图：

根据面积和气动中心的位置可得a=30.49mm，

2.2接头位置确定

接头2为中部接头，与操纵接头连接，位于展向中点，即y2=640mm

由操纵接头引起的集中力视为全部由接头2传走，不对梁引起额外的载荷。

假设左右对称布置接头，则结构可简化为如下形式：

查《飞机设计手册第三册》P76，此情形的弯矩图，知两个弯矩极值

令Ma=Mb，此时对总体结构而言危险截面处弯矩最小，得y1=185.53mm

综合考虑，方向舵与平尾干涉处的开口位置，对y1稍作调整，取

y1=190mmy2=640mmy3=1090mm

2.3操纵接头受力

初选将转轴布置在前缘后80mm处，几何草图如下：

则由力矩平衡，知Ft*50=Puse*（92.3-80）

得Ft=2706N

2.4总体内力图

建立如下总体坐标轴系：

yoz平面内受力：

剪力图（N）：

弯矩图（Nmm）:

扭矩图（Nmm）：

支座反力：

N1=4679.3NN2=4939.0NN3=4679.3N

最大剪力：

Qmax=2557.00N

最大弯矩：

Mmax=201.62Nm

最大扭矩：

Tmax=87.95Nm

三、零件设计及校核

3.1梁的设计与校核

由于Puse较小，故采用加工方便的板弯型材，梁与蒙皮均采用LY-12铝合金。

该材料ρ=2.8×103kgm3,σb=420MPa,τb=265MPa。

梁采用厚度δ1=1mm的板材板弯成形。

蒙皮厚度暂定为δ2=0.8mm

3.1.1梁的受力分析

如上图，梁的惯性矩

Jx1=20509mm2

对梁而言，在支座1或支座3处承受的剪力和弯矩最大，有

Qmax1=Qmax=2557.00N

Mmax1=Mmax=201.6Nm

此处的扭矩T1=195/640Tmax=26.11Nm

考虑梁的受力，尽管梁与蒙皮铆接在一起，且蒙皮与梁的厚度相差不大，梁附近的蒙皮也可以承受部分正应力，但无法找到适合的经验公式，故假定弯矩完全由梁承受，这样计算结果偏于安全。

σmax1=Mmax1*ymax1/Jx1=184.80Mpa

剪力和扭矩由梁与后段蒙皮（接头处前缘有开口，不承力）组成的单闭室承受。

如图所示，后段蒙皮用直线近似，如图所示。

如图取开剖面。

计算的闭室面积M1=10206.4mm2

设开剖面剪流为q，由于仅梁承受正应力，故q仅分布在梁截面上，计算出的梁开剖面剪流如图。

设闭室常剪流为qo，对3点取矩

由力矩平衡，有q0=9.21

3.1.2梁腹板校核

从图知梁腹板所受最大剪流为qmax1=79.45N/mm

则腹板最大剪应力τmax1=qmax1/δ=70.53/1Mpa=79.45Mpa

而[τ]=τb1/1.3=203.85Mpa>τmax1，故梁腹板安全。

3.1.3梁缘条校核

由前面知道σmax1=184.80Mpa，而梁缘条还受剪流作用，在1点处剪流最大，

τ1=q1/δ1=48.21/1Mpa=48.21Mpa。

选用第三强度理论，

σa1=（σmax2+4*τ12）0.5=208.44Mpa

而[σ]=σb1/1.3=323.08Mpa>σa1，故梁缘条安全。

3.2蒙皮的设计与校核

3.2.1蒙皮的设计

蒙皮选用LY-12铝合金，材料参数为：

ρ=2.8×103kgm3,σb=420MPa,τb=265MPa。

蒙皮厚度δ2=0.8mm

3.2.2蒙皮受力分析

蒙皮主要承受扭矩。

在前缘没有开口的地方，扭矩由前后缘蒙皮与梁组成的双闭室承受：

前缘开口处，扭矩由后缘蒙皮与梁组成的单闭室承受。

扭矩在舵面对称处最大，此处为单闭室受扭，故此处为蒙皮的危险截面。

此处Q2=2469.50N

T2=Tmax=87.94Nm

其受力计算与3.1.1对梁的计算过程基本一致，

其闭剖面剪流qo2=15.04N/mm

3.2.3蒙皮强度校核

τmax2=qo2/g2=15.04/0.8Mpa=18.8Mpa

[τ]=τb2/1.3=265/1.3Mpa=203.85Mpa

可知τmax2<[τ]，故蒙皮安全。

3.3肋的设计与校核

3.3.1后段肋的设计

初步确定后段半肋的形状如图所示，其有效长度l3=178mm，前后段耳片长度为14mm，最大高度H=12mm，最大高度处截面如下

由于后半段肋受载荷小，采用板弯型材加工，材料为CY-12M，厚度δ3=0.8mm。

材料参数ρ=2.8*103kg/m3,σ=420Mpa,τ=265Mpa

3.3.2后段肋的受力分析计算与校核

肋间距为90mm

假设蒙皮的气动力全部传到肋上，则其载荷图如下：

根据气动容差要求，气动容差小于1毫米，经过计算反复迭代，得出至少需要15根肋。

虽然后段肋是分成两个半肋，但其展向错开的距离并不大，考虑其承受气动载荷时可将两个半肋合成一起考虑。

考虑到其布置型式，将其视为悬臂梁。

q3=0.05496X240/284.5X1280/14N/mm=4.24N/mm

易知其危险截面为肋根部，其中Mmax3=q3*l3a*l3a/6=40704N/mm

Qmax3=q3*l3a/2=508.8N

而肋根部的惯性矩为：

Jx3=14084mm

面积为：

A3=41.6mm

则σmax3=Mmax3/Jx3*ymax3=53.18Mpa

τmax3=Qmax3/A3=12.23Mpa

而[σ]=420/1.3Mpa=323.08pa>σmax3故肋受正应力安全

[τ]=265/1.3Mpa=203.85Mpa>τmax3故肋受剪应力安全

3.3.3中部加强肋设计

尺寸与普通肋相似，采用LY-12M板弯件，但为保证更大的刚度，将板材厚度加厚至1mm。

3.3.4整体端肋的设计

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10mm，由于其主要作用是支撑翼型，非主要承力构件，不需要做强度校核。

3.3.5前缘加强肋的设计

前缘加强肋的主要作用是将开口处蒙皮剪流传至梁上和维持前缘气动外形。

采用LY-12M板弯件，其形状与翼型相同，为加工方便，前端7mm翼型截掉，取厚度1mm，缘条宽10mm。

另外，在两侧与配重块连接处将其缘条加宽到25mm。

安装时肋腹板应在蒙皮开口侧。

其强度不做校核。

3.4转轴支座的设计

3.4.1支座设计

要求保证三个接头共线，故接头应有较大刚度，采用LC4CZ，σb=600Mpa，τb=360Mpa，耳片焊在基础上，基础板弯成型。

3.4.2支座受力分析计算

支座2处受到气动载荷引起的剪力以及平衡操纵摇臂的作用力，即支座2受力最大，只需校核支座2即可，其受力见图如下：

则Qmax4=（N22+Ft2）0.5=5631.71N

由于每个接头有两个支座，则每个支座剪力Q4=2815.855N

3.4.3支座剪切校核

A4min=（20-6）X2=28mm2

τmax4=Q4/A4min=100.566Mpa

而[τ]=τb4/1.3=276.92Mpa>Cmax4，故剪切安全。

3.4.4支座挤压校核：

根据《飞行设计手册第三册》

[σbs]=0.65eb4/1.3=300Mpa

σbs4=Q4/（6X2）=234.655，故挤压安全。

由上可知，支座安全。

3.5接头和转轴的设计

3.5.1连接接头的设计

因为方向舵重量较轻，支撑接头主要受水平方向外力。

梁腹板上开口高度30mm，考虑到舵偏转，

接头受力虽不大，但考虑其刚度要求，选择材料为1Cr18Ni9TiA，通过冲裁制得，板厚取6mm。

其受载不大，故不作强度校核。

3.5.2轴承的选取

由支座的计算知，接头处最大剪力为5631.71N，根据《航空机械设计手册》选取关节轴承U6，其容许负荷为1000kg，满足强度要求，其代号为GB304-64-U6

3.5.3螺栓组合件的选择与校核

由轴承选定螺栓为M6。

查《航空机械设计手册》，以及考虑轴承的支座尺寸，防松要求选用

带孔螺栓：

GB793-66M6X22

带槽螺母：

GB48-66AM6

垫圈：

GB97-66A6

开口销：

GB91-671.5X16

上述标准件的材料均选用30GrMnSiA，查《飞机构造设计常用参考资料》得M6螺栓，该材料的抗拉破坏力为2110X9.8N，

破坏剪力为1970X9.8N，σb=1110Mpa

由支座计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.

挤压校核:

由《飞机设计手册第三册》，知螺栓挤压破坏剪力

Pjy=0.65X6X2Xσb=8580N

则[Pjy]=Pjy/1.3=6600N>Qmax5

故螺栓受挤压安全。

3.6摇臂支座设计与校核

3.6.1摇臂支座设计

摇臂支座为方向舵提供偏转力矩，刚度要求不高选用LY-12CZ作材料。

基础选用1mm厚板材，耳片用2mm厚板材冲裁成形，焊接在基础上。

其外形如下

3.6.2摇臂支座校核

由于其受作动筒的力,Ft=2706N,故单个耳片受力Q6=1353N

剪切校核:

Amin6=（16-6）X（2+2）mm2=32mm2

τmax6=Q6/Amin6=42.28Mpa

而[τ]=203.85Mpa>τmax6，故其受剪安全。

挤压校核：

由《飞机设计手册第三册》P44查得

σbs=σbX0.65=273Mpa

故[σbs]=σbs/1.3=210Mpa

σjy=Q6/（4X6）=56.38Mpa<[σbs]，故其受挤压安全。

3.6.3摇臂支座固定用标准件

底座用4个螺栓和2个铆钉连接，其强度不作校核。

螺栓选用GB67-66M5X12，螺母选用GB45-66AM5，材料选1Gr18Ni9TiA。

铆钉选用GB867-674X8，材料为LY-10.

3.7铆钉的设计与校核

3.7.1铆钉设计

常规铆钉连接处包括梁-蒙皮，肋蒙皮，其夹层厚度在2mm左右。

1.根据《飞机零构件设计》d》2δ

取铆钉直径为3mm，材料为LY10，类型为90度沉头铆钉。

2.根据《航空机械设计手册》

L=0.8d+δ，取铆钉长度为5mm。

铆钉代号为：

3X5GB868-67

查《飞机构造设计常用参考资料》知此类型铆钉破坏剪力为191X9.8N

3.铆钉间距及边距

展向间距20mm

弦向间距12mm

边距5mm

3.7.2铆钉的校核

从展向分析，在舵面中间位置扭矩最大，其引起铆钉的剪力最大，是危险截面；

从弦向分析，铆钉承受局部载荷引起的剪切与拉伸，在与梁缘条（翼肋根部）处最危险。

综上可知，需要校核舵面展向中部的与梁缘条铆接处的铆钉。

1.该危险位置铆钉所受剪力来自两方面：

一是总体扭矩引起的，一是翼肋受弯矩引起的。

后段蒙皮周长l7=481.7mm，估计单排弦向铆钉个数n7=l7/12，取n7=41个，假设扭矩引起的剪力由肋的两排铆钉共同承受，且受力均匀。

则扭矩引起的单个铆钉受剪力为：

Tmd1=qo2Xl7/2n7=88.35N

翼肋引起弯矩剪力由根部4个铆钉共同承受:

Tmd2=σmax3X2X13X1/4N=345.67N

则最危险中铆钉受剪力为：

Tmd=Tmd1+Tmd2=434.02N

而[T]=191X9.8/1.3N=1439.85N>Tmd，故铆钉受剪安全

2.拉伸校核

翼肋的局部气动载荷在根部转换为8个铆钉受拉伸。

Nmd=Qmax3/8=63.6N

根据《飞机设计手册第三册》，此型铆钉抗拉剪力为115公斤，考虑其为沉头铆钉，抗拉剪力变为1/2，即75.5公斤，则

[N]=75.5X9.8/1.3N=569.15N>Nmd

故铆钉受拉伸安全。

3.挤压校核

由于铆钉与蒙皮相比强度更高，故校核蒙皮的挤压强度，根据《飞机设计手册第三册》查的0.8mm厚LY-12蒙皮挤压强度的破坏挤压力为144公斤，则

[P]=144X9.8/1.3N=1085.54N>Tmd

故蒙皮挤压安全

3.8尾刃的选择

尾刃选择型材XC621-7，材料为LY-12，其主要作用为连接上下壁板，维持翼型后缘形状，其外形如图所示。

四、重量重心估算及配重设计

4.1质量计算

规定：

翼型前缘为坐标原点，沿弦向为x正向

4.1.1前缘蒙皮重量重心计算：

计算重心时，将前缘按半椭圆环简化，重心位置可参考《飞机设计手册》，即x=

其中，a=20.6mmb=64mm

C=19.8mmd=63.2mm

所以X=33.50mm

则前缘蒙皮重心在坐标系OX中位置为X1=b-X=30.5mm

前缘蒙皮有效长度为L1=1280-110-180=990mm

前缘蒙皮总重为W1=2.8**105.31*990=0.2919Kg

4.1.2梁的重量重心计算

查《飞机设计手册》梁重心位置为Xn=

F=b+2a=85.6a=25mmb=35.6mm则X=7.51mm所以梁重心在坐标系OX中位置为X2=64+7.51=71.51mm

梁的总重为W2=2.8**1280*85.6=0.3068Kg

4.1.3前缘加强肋重量重心计算

前缘加强肋包括2个端肋和6个开口加强肋

腹板

前缘加强肋腹板面积等于翼型前缘面积除去蒙皮厚度即

S=Π*19.0*62.4=1862.34mm2

则所有腹板重量为W31=8*2.8**1862.34=0.04172kg

查《飞机设计手册》，腹板重心位置为X=0.424b=26.4576mm

其重心在坐标系OX中位置为X31=64-26.4576=37.5424mm

缘条前段

缘条前段重心位置计算方式同前缘蒙皮重心计算，即X=其中a=19.8mmb=63.2mmc=19mmd=62.4mm

则X=32.94mm

重心在坐标系OX中位置为=64-32.94=31.06mm

缘条前段中，2个端肋缘条宽度各为10mm,加强肋中，最外两加强肋宽度为28mm其余各位14mm,所以总宽度

L=10*2+28*2+14*4=132mm

前段缘条总重为W3''=2.8**132*131.63=0.049kg

缘条后端

后端缘条和梁腹板铆接，则其重心在OX坐标系中的位置为X3'''=64-0.5=63.5mm

14个后段缘条总重为W3'''=14*2.8**35.6*14=0.0195kg

最终加强肋总重为W3=W3'+W3''+W3'''=0.11kg

所以重心在OX坐标系中位置为X3=39.33mm

4.1.4后缘肋的重量重心计算

后缘肋包括2个端肋，13个普通肋，1个后缘中央加强肋

后缘端肋

226

分别计算腹板和缘条重量重心

腹板：

X=1/3*226=75.33mm

W4’=0.5*35.6*226*1*2.8*=0.011Kg

缘条x’=0.5*226=113mm

W4''=14*226*2.8**2=0.018kg

则总重W4=2（W4'+W4''）=0.058Kg

重心在坐标系OX中位置为X4'=49.36mm

X4=64+X4’=113.36mm

后缘普通肋

通过俯视图和侧视图计算其重量重心

其中W5'=2.8**13*206*0.8=0.005998kg

W5''=2.8**178*12*0.8=0.004780kg

W5'''=2.8**0.5*192*12*0.8=0.002580kg

X5'=103,X5''=114.5,X5'''=74.7

则重心在OX坐标系中位置为X5=98.83mm

X5=-（206-98.83+30）+315=167.83mm

总重为W5=13（2W5'+W5''+2W5'''）=0.2852kg

中央加强肋

中央加强肋蒙皮厚度为1mm，其形状通普通肋，故其重心在OX坐标系中X6=167.83mm

重量为W6=0.0274kg

4.1.5后段蒙皮

为计算方便，将后段蒙皮的尾段计入尾刃中，而尾刃按照三角形计算

蒙皮面积近似为A=2*（315-64-42）*1280=535040

则蒙皮总重为W7=ρ2.8**535040*1=1.498kg

其重心在OX坐标系中位置为X7=64+0.5*（315-64-42）=168.5mm

4.1.6尾刃

为了便于计算尾刃横截面面积，将尾刃简化

其中，尾刃角近似估算为arctan（）=4.47°=0.078rad

则尾刃横截面棉结近似为A=0.5（）*θ

其中R1=42mmR2=28mm

A=99.39

尾刃总重为W8=ρAL=2.8**99.39*1280=0.3562kg

尾刃重心在坐标系中位置为X8=

其中X=1/3*42=14mm,x'=1/3*28=9.33mm

则X8'=12.56mm,

X8=315-12.56=302.44mm

4.1.7支承支座

计算重量重心时，将其分成三部分

其中W9'=2.8**33.6*1*25=0.002352Kg

W9''=2.8*（14*1*2*25+32*14*1）=0.003214Kg

W9'''=2.8*=0.00063Kg

哥部分距离支承支座左侧距离分别为X9'=0.5mm,X9''=9mm,X9'''=22.09

所以总重w9=0.019kg

支承支座在坐标系OX中位置为X9’=6.95MM

X9=64+1+6.95=71.95mm

4.1.8摇臂支座

摇臂支座其重心在坐标系OX中的位置X10=40/2+64=84mm

其体积估算为V=3960

总重为W10=2.8**3960=0.0112Kg

方向舵哥部件重量重心明细如表

序号

X/mm

W/kg

序号

x/mm

W/kg

30.5

0.2919

168.5

1.498

71.51

0.3068

302.44

0.3562

39.33

0.1100

71.95

0.019

113.36

0.0580

0.0112

167.83

0.2852

167.83

0.0274

总重为W=2.9377kg

重心为X=155.47mm

4.2、配重设计

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，假设其质心距前缘为50mm，则单个配重块质量：

2W配*（50+64+11）=2.9377*（155.47-64-11）

W配=0.9456kg

配重材料用普通结构钢材，可采用45钢。

其密度

。

图48、配重块简图

如简图所示，前端钝头为半球形，后段为圆柱，取后段圆柱长度为100mm，则其直径有：

W配=ρ【】

W配=

得d=39.3mm，L=86.84mm

4.3方向舵总重及重心位置

W总=W舵+2W配=4.83kg

重心位于转轴上

五、装配顺序

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