某通用飞机机翼结构设计

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摘 要为梳理某超轻型通用飞机机翼结构设计思路和总结设计方法,从飞机的机翼结构布局、设计细节和要点、关键部位的受力和传力分析等方面对机翼结构设计作了详细的介绍,其中重点介绍机翼的主要承力结构元件的设计和操纵面的受力及结构设计,并对该飞机机翼机身连接结构设计进行了较详细的论述.经过精心设计及相关强度计算验证,整个机翼结构满足设计要求,为今后通用飞机的新型号的自主研发设计提供了很好的思路并积累了宝贵的经验.

关 键 词超轻型飞机；翼梁；翼肋；副翼；襟翼

中图分类号V271文献标识码A文章编号1674-6708（2013）94-0076-02

0引言

目前,通用航空产业在我国已经取得了日新月异的发展,在这种大环境下,自主设计研发通用飞机也势在必行.

本文介绍的某超轻型飞机为低空、低速、非气密的两人座飞机,升限为3000m,巡航速度为200km/h.

该飞机主要用于飞行训练、娱乐飞行、航空体育飞行、旅游观光飞行、航空摄影等,不作机动特技飞行.机翼结构设计的任务就是根据飞机总体设计提出的机翼平面形状、翼型、机翼与机身的相对位置及部位安排设计出能满足飞行技术要求的机翼结构.

1机翼的结构设计

1.1概述

该超轻型飞机的机翼为矩形单梁式下单翼结构,机翼为NACA4415改型,有翼尖小翼的构型.机翼固定结构由机翼中段、前缘、后缘、翼梁、翼尖、整流罩等组件构成；机翼包含的活动面有后缘襟翼、副翼及调整片.

飞机左右机翼各布置一块后缘襟翼和一块副翼,右机翼在副翼处有一个调整片.机翼各构件连接形式为铆接.机翼后缘襟翼采用开裂式襟翼,下缘前端有固定转轴结构,其运动形式为绕固定转轴旋转.翼尖和整流罩为玻璃纤维材料,利于减重.机翼可选装折叠系统便于机库存放.

1.2机翼翼型的确定

总体设计方案给出机翼翼型为NACA4415改型,主要把机翼的下弧面后段修平,机翼的翼尖向上翻起,用于延缓机翼失速.

该飞机机翼的外形为矩形,从气动性讲,椭圆形机翼相对较好,但矩形机翼在结构布局上更为简单,例如翼肋的外形完全相同,使得工艺简单,便于加工及安装.

1.3单梁式机翼结构设计

机翼的基本受力构件包括翼梁、接头、翼肋和蒙皮.根据机翼载荷情况,该飞机设计成单梁式机翼.单梁式机翼的结构特点是有一根比较强的梁,梁布置在翼剖面最大的高度处.由于机翼的全部弯矩都由梁承受,所以在翼梁的根部有固定接头与机身连接,来传递剪力和弯矩.

下面重点介绍翼梁（包括接头）、翼肋的设计；蒙皮的设计比较简单,在此处不做详细的论述.

1.3.1翼梁设计

翼梁主要承受剪力和弯矩,它是机翼主要的纵向受力件.薄蒙皮梁式机翼中弯矩基本上由翼梁承受.

1）翼梁结构形式和布局

该型飞机属于载荷小的低速超轻型飞机,其翼梁的结构采用板弯腹板和缘条铆接组合梁形式.翼梁组件由腹板、梁缘条、加强角材、连接带板和接头组成.

（1）腹板

梁腹板主要承受剪力,且小载荷梁的腹板比较薄,直接用厚度为1.2mm的薄铝板轧制出下弯边.为了达到减轻重量的目的,在其上冲制减轻孔.

（2）缘条

梁缘条主要承受机翼的弯矩,由于机翼的弯矩延展向是变化的,所以缘条的剖面不是等剖面的,稍部缘条剖面小,根部缘条剖面大.由于整个机翼梁的缘条比较长,为了便于加工通常要分段.该飞机在翼梁上部布置上缘条,分内外两段,由L型挤压型材制造.两段缘条采用搭接形式,连接成一整体.稍部缘条型材截面小,与腹板用单排铆钉连接,靠近接头的根部缘条型材截面大,用双排铆钉与腹板铆接.腹板下部弯边内侧布置连接带板,上缘条内侧布置加强角材和连接带板.

（3）机翼接头

接头的作用就是将机翼上的载荷传递到机身上.机翼接头在机翼结构中是重要受力件,也是整个飞机的关键件.机翼接头在设计前要进行初步估算,根据通过机翼的最大升力算出的机翼根部的弯矩和剪力,合理设计和选材,设计后要进行强度核算.基于以上原则,机翼的接头设计成变截面的形式,采用30CrMnSiA钢板机加成形.

1.3.2翼肋设计

1）翼肋结构形式

为了便于和翼梁腹板连接,整个翼肋分成前、中、后三段.考虑机翼载荷情况和工艺性,该飞机翼肋设计成铆接肋,具体结构是板弯腹板开减轻孔式.三段翼肋均选用0.5mm的铝合金薄板轧压出弯边,中段和前缘肋上有减轻孔.中段翼肋有四个弯边,分别与机翼蒙皮、翼梁腹板及后缘肋的连接角片铆接.前缘肋的三个弯边分别与前缘蒙皮和翼梁腹板铆接.

2）翼肋布局

该飞机单侧机翼展向长度（不包括翼尖）约为3200mm,根据肋距统计给出的小型飞机肋距约为300mm这一原则,单侧布置11个肋,每个肋间距均为300mm.由于该飞机机翼为矩形,翼肋布置成与翼梁垂直,同时也是顺气流航向.矩形机翼使得11个肋的外形完全相同,最靠近机翼接头的肋定义为1号肋,然后从内向外依次为2至11号肋.

根据总体设计布局的要求,有集中载荷的部位要设置加强肋.由于机翼根部承受集中力,所受弯矩最大,所以1号肋设计为加强肋.加强肋与其它10个普通肋在结构设计上有所不同,在1号肋上有加强窝及在肋腹板上铆接竖向角材支柱.加强窝的作用类似于弱支柱,起到增加腹板稳定性和侧向刚度的作用,腹板上布置多个支柱,也可以提高腹板的剪切稳定性.同时机翼根部还作为登机踩踏点,受力较大,因此在1、2号肋之间进行了加强,布置横向槽形加强件.

1.4后缘襟翼和副翼设计

为了增加升力,改善起飞和着陆性能,在机翼后缘下部安装了襟翼及在后缘外侧安装了用于飞机横向操纵的副翼.由于该飞机为超轻型飞机,前缘没有设计增升装置.1.4.1后缘襟翼

该飞机襟翼为分裂式襟翼,其特点是结构简单,重量轻.襟翼位于机翼后缘下面,靠近机身,在副翼的内侧.

1）襟翼结构

该襟翼结构为板弯成形翼肋和蒙皮的铆接组合结构.整个襟翼一共布置10个肋,肋间距设置从外到里依次减小,越靠近翼根,间距越小,因为翼根部位弯矩较大,肋间距小有利于增加抗弯能力.襟翼蒙皮分上下两块,由厚度为0.5mm的薄铝板按照翼肋的外形板弯成形,在襟翼前端为蒙皮搭接处,相当于梁平面,可以安装铰链.

2）连接形式

由于襟翼结构轻薄,为了避免应力集中,它与机翼中段采用琴键式的固定铰链连接.这种连接方式的弊端是在飞行中由于机翼变形,使襟翼的转轴变弯,难以灵活操纵,甚至卡住.由于低速超轻型飞机机翼变形很小,所以采用这种连接形式问题不大.琴键式铰链分别安装在机翼中段后端面（机翼副梁平面）和襟翼前端蒙皮搭接处,用抽芯铆钉连接.

1.4.2副翼

1）副翼结构

该飞机副翼为传统副翼结构,即单梁、小肋间距、弱翼肋薄蒙皮结构.蒙皮为整块薄板板弯成形,搭接处相当于副翼的梁.整个副翼等间距布置4个翼肋.仅右机翼副翼安装一个调整片,调整片为长方形铝合金薄板,通过三处突出耳片与副翼翼尖蒙皮下部用抽芯铆钉连接.通过钢索操纵调整片带动副翼,这样可以降低操纵力矩.

2）连接形式

由于该飞机副翼结构也比较简单,它与机翼同样采用琴键式的固定铰链连接.铰链分别安装在机翼中段后端面（机翼副梁平面）上部和副翼前端蒙皮搭接处.

1.5机翼与机身连接结构设计

1.5.1机翼、机身对接接头形式

机翼上的总体内力-弯、剪、扭将由机身提供支反力来平衡.为了保证机翼上的所有的弯、剪、扭都能传到机身上,薄蒙皮单梁式机翼在根部与机身为三点连接,即固接接头为上下两组耳片、铰接接头有一组耳片的形式.

该飞机机身加强框上与机翼连接用的上下两个固接接头和一个铰接接头均为单耳片,机翼上的两个固接接头和一个铰接接头均为双耳片.接头对接采用垂直耳片叉耳连接形式,即所有耳片全部垂直设置,连接螺栓顺航向水平放置,这种形式使得接头在传递剪力、弯矩时螺栓均受剪,这对提高连接件的疲劳强度有利,非常适用于像这样的低速小飞机.

1.5.2机翼的连接结构设计

在进行连接结构设计时要考虑两点：机翼接头本身的强度和机翼载荷向机身的传递,保证受力和传力要可靠.机翼与机身的连接结构必须要把左右机翼传来的载荷传给机身,根据连接结构形式,合理设计传递剪力、扭矩和弯矩的构件.机身上连接机翼的前部上下固接接头安装于第三框,因此第三框设计为加强框,并且与起落架固定梁相连,后部铰接接头固定于第五框,第五框是起落架固定梁的一部分,这样由固定机翼的第三框和起落架固定梁一起形成了完整的主承力结构,将来自机翼上的载荷有效地传到机身上.

1.5.3机翼与机身对接接头处的传力分析

1）剪力是以连接螺栓受剪和连接接头受挤压的形式,由固接接头和铰接接头传给机身的第三框和第五框,机身框受Y向力；

2）弯矩是以机翼梁缘条轴力形式直接从前部的固接接头传给机身框,连接螺栓受剪,机身框受弯矩M；而后接头与机身是铰接相连,只能传递剪力,不传递弯矩；

3）扭矩是由组成机翼中部盒段的蒙皮和翼梁腹板受剪向机翼根部传递的.在机翼根部的加强肋（1号肋）,能把沿盒段周边的闭合剪流转换成由两个垂直剪力组成的力偶,通过对接接头传给机身.

2结论

经过对机翼强度进行计算,其中包括对机翼接头、翼梁、翼肋、蒙皮等重要结构进行的静强度计算.计算结果表明机翼结构满足强度和刚度的要求,能安全、可靠地完成机翼所应承担的功能.

另外,经计算机翼重量也符合要求.综合验证,该飞机机翼结构布局及设计方案合理,为今后公司通用飞机新型号的研发奠定了坚实的基础并积累了宝贵的设计经验,形成了我们研发部门自己的设计思路.