長(zhǎng)空一號(hào)無(wú)人機(jī)方向舵設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、word格式完美整理南京航空航天大學(xué)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)姓名：XXX學(xué)號(hào)：01111XXX 可編輯版word格式完美整理2015/01/10目錄一 初步方案的確定-1二 總體載荷計(jì)算-3三 零件設(shè)計(jì)及校核-7四 重心估算及重量配置-15五 裝配工藝流程-20六 總結(jié)與體會(huì)-20七 參考資料-21 一、 初步方案的確定1.1方向舵的受力形式使用載荷12000N，載荷較小，故選用單梁式。方向舵在XOY平面內(nèi)的外形由垂尾翼型后段和方向舵前段外形決定。垂尾翼型為NACA0008，后段外形參數(shù)如下：方向舵前端外形參數(shù)：則方向舵翼型大致如下：由表格數(shù)據(jù)，最厚位于前緣62mm處，厚39.2m

2、m，在最厚處布置梁。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。為了便于前緣蒙皮的安裝，梁不宜再向前伸出上下緣條，故采用“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

3、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88mm。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再與梁鉚接裝配，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)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)。1.7理論草圖二、總體載荷計(jì)算2.1氣動(dòng)載荷

4、弦向分布如圖。根據(jù)已知條件，方向舵根稍弦長(zhǎng)相同，故展向分布均勻，則單位展長(zhǎng)載荷：quse=puse/La=12000/1260N/mm=9.5238N/mm取設(shè)計(jì)安全系數(shù)f=1.3，則qdes=1.3quse=12.38N/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：如圖，壓心在0.293b處，弦長(zhǎng)b=320mm，則經(jīng)過(guò)平衡方程計(jì)算得：p=0.05998N/m²a=30.93mm即懸掛接頭及中間操縱接頭沿弦向布置在距離前緣31mm處。2.2接頭展向位置確定展向載荷示意圖如上。接頭2為中部接頭，與操縱接頭連接，位于展向中點(diǎn)，即x2=630mm，由操縱接頭引起的集中力

5、視為全部由接頭2傳走，不對(duì)梁引起額外的載荷。若假設(shè)1、3接頭對(duì)稱(chēng)布置，則左半邊結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為如下形式：q=12.38N/m X=X2-X1此時(shí)的剪力、彎矩圖如下：Ma=q8（x²-2x1²）Mb=q2 x1²應(yīng)令Ma=Mb，此時(shí)對(duì)于梁截面而言危險(xiǎn)彎矩最小。解得：x1=182.6mm綜合考慮肋的布置、方向舵與平尾開(kāi)口處的干涉，對(duì)x1稍作調(diào)整，取 x1=190mm, x2=630mm, x3=1070mm2.3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*49= Pdes *（93.76-80）得Ft=2190.2N2.4總體內(nèi)力圖Y

6、OZ平面內(nèi)受力：剪力圖（N）：彎矩圖（N·mm）：扭矩圖（N·mm）：支座反力：N1=5156.7N N2=5285.4N N3=5156.7N最大剪力：Qmax=2804.5N最大彎矩：Mmax=223.46N·m最大扭矩：Tmax=107.32N·m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=2.8×10³kg/m³,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

7、析如右圖，梁的慣性矩Jx1=20508.5mm2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=2804.5NMmax1=Mmax=223.46N·m此處的扭矩T1=（190/630）Tmax=32.366N·m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=204.84Mpa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。如圖取開(kāi)剖面

8、。計(jì)算的閉室面積的2倍：1=10640.8mm2設(shè)開(kāi)剖面剪流為q，由于蒙皮不受正應(yīng)力，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q0，取3中點(diǎn)為力矩中心，則有 由力矩平衡，有q0=8.57N/mm3.1.2梁腹板校核從圖知梁腹板所受最大剪流為qmax1=88.44+8.57=97.01N/mm則腹板最大剪應(yīng)力max1=qmax1/=97.01/1Mpa=97.01Mpa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=204.84Mpa，而梁緣條還受剪流作用，在1點(diǎn)處剪流最大，1=q1/1=69.8

9、/1Mpa=69.8Mpa。選用第三強(qiáng)度理論，a1= ²+4² =247.89Mpa 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)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=2642.

10、7NT2=Tmax=107.32N·m其受力計(jì)算與3.1.1對(duì)梁的計(jì)算過(guò)程基本一致，計(jì)算結(jié)果得：其閉剖面剪流qo2=15.62N/mm3.2.3蒙皮強(qiáng)度校核max2=qo2/2=15.62/0.8Mpa=19.53Mpa= b2/1.3=265/1.3Mpa=203.85Mpa可知max2<，故蒙皮安全。3.3肋的設(shè)計(jì)與校核3.3.1尾刃的設(shè)計(jì)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。3.3.2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=13.5mm

11、。最大高度處截面如右：由于后半段肋受載荷小，采用板彎型材加工，材料為L(zhǎng)Y-12M，厚度3=0.8mm。材料參數(shù)=2.8*103kg/m3, =420Mpa, =265Mpa3.3.3后段肋的受力分析計(jì)算與校核肋間距為88mm，假設(shè)蒙皮的氣動(dòng)力全部傳到肋上，則其載荷圖如下：雖然后段肋是分成兩個(gè)半肋，但其展向錯(cuò)開(kāi)的距離并不大，考慮其承受氣動(dòng)載荷時(shí)可將兩個(gè)半肋合在一起考慮。考慮到其布置形式，將其簡(jiǎn)化為懸臂梁。q=0.05998X88=5.28N/mm左右兩支座的支反力分別為：N1= 23*12ql=5.28*178/3=313.28N N2=N1/2=156.64N則半肋上的剪力分布為： 彎矩分布為

12、：經(jīng)計(jì)算，當(dāng)Q=0時(shí)，即x=75.23mm時(shí)，M有最大值Mmax=10731.76N·mm此處的半肋緣條截面高度為：13.5*178-75.23178-53+14=9.98mm為了計(jì)算方便取高度為10mm，最大彎矩處半肋截面如右：Jx=4509mm4max=Mmax*ymax/Jx =23.8Mpa<，=420/1.3=323MPaQ的危險(xiǎn)截面為Qmax=313.28N處，該處截面積A=33.568mm²max=Qmax/A=9.33Mpa < , =265/1.3=203.8Mpa3.3.4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

13、剛度，將板材厚度加厚至1mm。3.3.5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。3.3.6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，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)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

14、，基礎(chǔ)板彎成型，每個(gè)接頭有2個(gè)支座。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)圖如右：則Qmax=N2²+Ft² =5721.2N由于每個(gè)接頭有兩個(gè)支座，則每個(gè)支座剪力Q=2860.6N3.4.3支座剪切校核Amin=（20-5）X2=30mm²max=Q/Amin=95.35Mpa而= 360/1.3=276.92Mpa>max，故剪切安全。3.4.4支座擠壓校核：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，

15、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5721.2N，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：GB793-6

16、6 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=2860.6N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)，知螺栓擠壓破壞剪力Pjy=0.65X6X2Xb=8580N則Pjy= Pjy/1.3=6600N> Qmax5故螺栓受擠壓安全。3

17、.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，去平衡方向舵的扭矩，既主要承受操縱反扭矩產(chǎn)生的拉力，載荷相對(duì)不大，但剛度要求較高，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：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查得bs=bX0.65=273Mpa故bs= bs/1.3=210Mpajy

18、=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)1）鉚釘連接處包括梁-蒙皮、肋-蒙皮、壁板尾緣條連接，其夾層厚度為2mm 。根據(jù)飛機(jī)零構(gòu)件設(shè)計(jì) 取d=3mm，材料選用LY10。 2）鉚釘長(zhǎng)度確定 根據(jù)航空機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) L=0.8d+s ；取5mm。3）鉚釘間距及邊距 依據(jù)以往設(shè)計(jì)，可取展向間距20mm ；弦向間距16mm ；邊距5mm左右。

19、四、重心估算及重量配置4.1 重量計(jì)算坐標(biāo)系的定義：將前緣點(diǎn)定義為坐標(biāo)系原點(diǎn)，翼型對(duì)稱(chēng)線(xiàn)為ox軸。由于鉚釘較多，不便計(jì)算，所以把鉚釘重量計(jì)入蒙皮、肋和梁中，即計(jì)算蒙皮、肋和梁時(shí)，不考慮鉚釘開(kāi)孔。另外接頭處螺栓組件軸線(xiàn)即為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，且其質(zhì)量較小，所以對(duì)其可忽略計(jì)算。4.1.1 前緣蒙皮的重量重心計(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)P13，X=32.357mm，則在坐標(biāo)系下X1=62-X=29.643mm蒙皮在截面的有效長(zhǎng)度約取為：62*2*1.2=148.8mm蒙皮總質(zhì)量m1=2.8*0.8*148.8*1260=0.42kg4.1.2 梁的重量重心計(jì)算查飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)梁

20、重心位置為X=7.51mm，則在坐標(biāo)系中，梁重心的位置X2=62+X=69.51梁的總重為m2=2.8*1260*85.6=0.302kg4.1.3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1）腹板前緣加強(qiáng)肋腹板面積等于翼型前緣面積除去蒙皮厚度,約為：S=*62*37.6/4=1830.92mm2則所有腹板重量為m3=8*2.8*S=0.041kg查飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，腹板重心位置為X=0.424b=26.288mm其重心在坐標(biāo)系OX中位置為X3=62-26.288=35.712mm2）緣條前段緣條前段重心位置計(jì)算方式同前緣蒙皮，按半橢圓環(huán)進(jìn)行計(jì)算，即X= 31.8mm, 則重心在

21、坐標(biāo)系中位置為X3=62-31.8=30.2mm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*2+14*4=132mm前段緣條總重為m3=2.8*132*140=0.052kg3）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=62-0.5=61.5mm8個(gè)后段緣條總重為m3=2.8*37.6*132=0.0139kg最終加強(qiáng)肋總重為m3=m3'+m3''+m3'''=0.1069kg前緣加強(qiáng)肋總重心在OX坐標(biāo)系中位置為X3=36.38mm4.1.

22、4后緣肋的重量重心計(jì)算后緣肋包括2個(gè)端肋，12個(gè)普通肋，1個(gè)后緣中央加強(qiáng)肋1）后緣端肋腹板：X=233/3=77.67mm m=2.8*35.6*233/2=0.0116kg緣條：X=108.254mm m=10*（35.6+233.68*2）*2.8=0.014kg則后緣端肋總重為m4=(0.0116+0.014)*2=0.0514kg,重心位置為X=2(X*m+X*m)/m4=94.028mm，在坐標(biāo)系中X4=X+87=181.028mm2）后緣普通肋側(cè)視圖和俯視圖如上圖所示，經(jīng)計(jì)算得：在OX坐標(biāo)系中，X5=167.83mmm5=0.02688*12=0.3225kg3）中央加強(qiáng)肋中央加強(qiáng)

23、肋的形狀和普通肋一樣，但蒙皮厚度為1mm，故其重心在OX坐標(biāo)系中X6=167.83mm重量為m6=0.0336kg4.1.5后段蒙皮為計(jì)算方便，將后段蒙皮的尾段計(jì)入尾刃中，而尾刃按照三角形計(jì)算蒙皮面積近似為A=2*(320-62-40)*1260=549360mm²則蒙皮總重為m7=2.8*A*0.8=1.23kg其重心在OX 坐標(biāo)系中位置為 X7=62+0.5*（320-62-40）=171mm4.1.6尾刃為了計(jì)算方便，后段蒙皮計(jì)入尾刃，如圖所示。將尾刃近似看做三角形，則X=40/3=13.333mm，在OX坐標(biāo)系下X8=320-40+13.333=293.333mmm8=0.5

24、*6.81*40*1260*2.8=0.48kg4.1.7支承支座計(jì)算重量重心時(shí)，將其分成三部分其中m9'=2.8*35.6*1*25=0.002492kgm9''=2.8*(17*1*2*25+35.6*17*1)=0.004075kgm9'''=2.8*(144-25)/2=0.00052kg各部分距離支承支座左側(cè)距離為X9'=0.5mm , X9''=8.5mm, X9'''=22.69所以總重m9=0.007087kg支承支座總重心位置為X=6.73mm在OX坐標(biāo)系中X9=62+1+6.73

25、=69.73mm4.1.8搖臂支座搖臂支座其重心在坐標(biāo)系OX中的位置X10=40/2+62=82mm其體積估算為V=3960mm³總重為m10=2.8*3960=0.0112Kg綜上各小節(jié)所計(jì)算結(jié)果，方向舵各部件重量重心明細(xì)如表總重為M0=2.965kg重心為X0=154.8mm4.2、配重設(shè)計(jì)由于長(zhǎng)空一號(hào)速度不高，為加工制造方便，采用圓柱鈍頭形的彈頭式配重設(shè)計(jì)。配重塊前端超過(guò)方向舵前緣不宜過(guò)長(zhǎng)，假設(shè)其質(zhì)心距前緣為50mm，則單個(gè)配重塊質(zhì)量：2M配（50+80）=M0（X0-80）M配=0.853kg配重材料用普通結(jié)構(gòu)鋼材，可采用45鋼。其密度方向舵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示，前端為一半球，后段為一圓柱。取l=100mm，則：R²l+23R³=M配/p=109219mm³解得：R=17.64mm4.3方向舵總重及重心位置M總=M0+2M配=4.671kg實(shí)際重心位于：X=79.75mm處，即位于轉(zhuǎn)