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：0112105学号：**********名：**指导教师：徐惠民、王强时间：2015.12.25-2016.1.15目录一、设计要求 (4)二、初步方案的确定 (5)2.1、方向舵的受力及结构形式 (5)2.2、梁的结构形式 (6)2.3、悬挂点配重 (6)2.4、翼肋的布置 (7)2.5、配重方式 (7)2.6、操纵接头的布置 (8)2.7、开口补强 (8)2.8、方向舵理论图 (8)三、总体载荷计算与设计计算 (8)3.1、气动载荷展向分布 (8)3.2、悬挂点的位置确定 (9)3.3、梁的设计计算 (10)3.3.1、梁和前缘蒙皮的设计 (10)3.3.2、前缘闭室计算 (12)3.3.3 、弯心和扭矩计算 (13)3.3.4、梁腹板校核 (15)3.3.5、梁缘条的校核 (15)3.4、蒙皮设计计算 (16)3.4.1、尾缘条设计 (16)3.4.2、弦向载荷分布计算 (16)3.4.3、前缘蒙皮校核 (17)3.4.4、后段壁板肋的数量和蒙皮最大挠度校核 (17)3.4.5、后段壁板蒙皮正应力校核 (19)3.5、肋的设计计算 (19)3.5.1、后段肋的设计 (19)3.5.2、后段普通肋的校核 (20)3.5.3、中部加强肋设计 (22)3.5.4、整体端肋设计 (23)3.5.5、前缘肋和加强肋设计 (23)3.5.6、前缘开口加强肋校核 (24)3.6、接头和转轴设计 (24)3.6.1、支承接头设计 (24)3.6.2、选取轴承 (25)3.6.3、螺栓组合件的选择 (26)3.7、支座设计 (26)3.7.1、支承接头支座设计 (26)3.7.2、摇臂支座设计 (28)3.8、铆钉设计 (29)3.9、尾缘条设计 (30)四、质量质心计算及配重设计 (30)4.1、质量计算 (30)4.1.1、前缘蒙皮质量计算 (31)4.1.2、梁质量计算 (31)4.1.3、前缘肋质量计算 (32)4.1.4、后蒙皮质量计算 (32)4.1.5、尾缘条质量计算 (32)4.1.6、端肋质量计算 (33)4.1.7、后半肋质量计算 (33)4.1.8、支承支座质量计算 (33)4.1.9、摇臂支座质量计算 (33)4.1.10、质量和质心计算 (34)4.2、配重设计 (34)4.3、方向舵重新设计 (36)五、装配工艺流程 (37)六、总结 (37)七、参考资料 (38)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、最终设计方向舵其中，A=310mm、B=1330mm、C=1390mm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。
垂尾翼型为NACA0008。
方向舵最大偏转角为15。
按飞机强度规范确定方向舵载荷及其分布。
安全系数为f=1.2。
方向舵使用载荷为11000N。
其载荷分布见图2和图3。
图三沿展向分布的规律图四沿弦向分布的规律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、方向舵的受力及结构形式使用载荷11kN，载荷较小，故选用单梁式，转轴后为无墙三角单闭室结构。
由方向舵几何尺寸可知，方向舵面积较小，最厚位置为62mm处,最大厚度为39.2mm。
载荷为11000N，相对也较小，故可采用单梁式结构。
同时平尾与方向舵存在干涉，需要在方向舵上开一口，深度为45mm，在最大厚度处之前，所以可以采用单梁结构而不用破坏梁。
翼型厚度为39.2/310=0.126，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。
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，梁距前缘平尾开口为17mm，此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。
综合考虑，确定悬挂点数目为3个。
2.4、翼肋的布置间距定位166mm，1330mm展长可布置9个翼肋（含2端肋）。
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，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，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。
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①前缘开口处两侧采用加强肋②梁腹板开口处采用支座的三面对其加强。
2.8、方向舵理论图三、总体载荷计算与设计计算3.1、气动载荷展向分布根据已知条件，方向舵相当于矩形机翼，跟梢比为1，其弦线是各处相等的，所以可知其载荷沿展向是均布载荷。
使用载荷为 P e=1.1×104KN，安全系数为 f=1.2，故设计载荷为 P d=f P e=1.32×104KN，则均布载荷为：q=P dL =1.31×1041.33=9.9248N/mm。
展向载荷设计时以弯矩为主要设计载荷。
3.2、悬挂点的位置确定接头布置要使受载情况最好，即使梁的内力最小。
梁的设计载荷以弯矩为主，所以接头布置考虑弯矩分布。
由于对称性，弯矩计算时可取梁的一半做计算。
布置三个悬挂点，其中A 、C 对称布置，结构为一度静不定。
由位移平衡可以计算出支反力N1大小。
22222112121221221221122121()()[()4()6]2()246(23)8()q X X N X X w X X X X X X X X EI EIX X X X N q X X --=---+=-++⇒=-则弯矩有：10x X ≤≤ 时， 212M qx = 12X x X ≤≤ 时，2111()2Mqx N x X =-- 可以画出弯矩图:显然在1、2和3点处有弯矩极值。
计算3点的弯矩极值：12X x X ≤≤ 12'111min 111|2N x qN N M qx N x M M N X q q ==-⇒=⇒==- 当1、2两点弯矩相等，且大于等于4点最小弯矩的绝对值时，梁受力最好，此时接头位置最优。
既有：2221max 12112min 11111()||222N M qX qX N X X M N X q==--≥=-2222max 1211211221211()522210.28991330/2192.785M qX qX N X X X X X X X X mm ==--⇒+--⇒==⨯= 带入得到：Μmax =12qΧ12=12×9.9248×192.782=184.42 Ν/mΝ1=q(Χ12+2Χ1Χ2+3Χ22)8(Χ2−Χ1)=4256.62 N Μmin =Ν1Χ1−12Ν12q =−92.21 Ν/mΝ2=ql −2Ν1=9.9248×1330−2×4256.63=4686.24 Ν由此确定接头位置，并可以确定前缘蒙皮开口实际设计上，由于加工和装配精度问题，所以取整数设计，可取接头距离为193mm 。
移动较小，后面计算时仍可继续用最佳计算值。
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：梁的剪力图：剪力分布图可计算出其剪力图中极值从左至右分布为-1913.30，2343.31，-2343.37，2342.86，-2343.82，1912.79（单位N）即剪力最大值为2343.82N。
梁腹板受剪，腹板最大高度略小于39.2mm，则腹板厚度有：Q max ℎt ≤τb⇒t≥Q maxℎτb≥2343.82(39.21000)×265×106=0.2256mm腹板厚度可以很小，大于等于0.5mm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，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25mm。
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。
则梁剖面惯性矩为J χ=∫y 2AdA =112(37.23×25−24×35.23)=20019mm 4 受载情况有，Q 作用下腹板最大剪应力: τmax =Q max ℎt=2343.82(39.2/1000)×(1/1000)=59.79MPa <[τb ]M 作用下最大正应力: σmax =M max J χy max =184.4220019×10−12×19.6×10−3=180.56MPa <[σb ]3.3.2、前缘闭室计算根据表2的数据可以用MATLAB 拟合出前缘的三次曲线（取前四个点），可近似得到蒙皮的外形。