課程設計--大客飛機起落架與機翼連接結構設計及分析

1、<p><b>　　課程設計（說明書）</b></p><p>　　飛機主起落架與機翼連接結構的設計及分析</p><p>　　學 院：航空科學與工程學院</p><p>　　專 業(yè)： 飛行器設計與工程 </p><p>　　學 號： </p><p>

2、;　　姓 名： </p><p>　　指導老師： </p><p>　　2013年9月29日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、設計課程題目.....................................................

3、...2</p><p>　　二、研究對象................................................................2</p><p>　　三、設計目的................................................................2</p><p>　　四、設計要

4、求................................................................2</p><p>　　五、原始資料................................................................3</p><p>　　六、設計工作內容.............................

5、...........................3</p><p>　　七、設計過程與結果....................................................3</p><p>　　1、設計方案的分析.......................................................3</p><p&g

6、t;　　1.1現(xiàn)有結構類型、特點分析.......................................4</p><p>　　1.2設計方案特點——機翼-主起落架連接部位傳力分析....5</p><p>　　2、結構方案................................................................10</p>&

7、lt;p>　　2.1結構方案圖..........................................................10</p><p>　　2.2重心分析.............................................................11</p><p>　　3、強度剛度分析計算................

8、....................................11</p><p>　　3.1彎矩分析.............................................................13</p><p>　　3.2扭矩分析...........................................................

9、..15</p><p>　　3.3剪力及危險部位分析..............................................16</p><p>　　4、結論.......................................................................19</p><p>　　八、參考資料....

10、............................................................20</p><p><b>　　一、設計課程題目</b></p><p>　　飛機主起落架與機翼連接結構的設計及分析</p><p><b>　　二、研究對象</b></p><p&

11、gt;　　飛機主起落架與機翼連接結構</p><p><b>　　三、設計目的</b></p><p>　　課程設計是學生在學完有關理論課程及專業(yè)技術課程后的一個重要教學環(huán)節(jié)。要求學生綜合運用有關基礎理論、專業(yè)知識和實際經驗，獨立地解決有關飛行器設計專業(yè)范圍內比較簡單的典型性的設計任務，為畢業(yè)設計以及畢業(yè)后在專業(yè)工作解決更全面而復雜的技術問題打好基礎。其主要的教學目標

12、是在教師的指導下，獨立完成飛機某一部件的結構分析、理論計算、結構設計等工作。培養(yǎng)與鍛煉學生綜合運用有關的理論知識，分析問題解決問題能力以及計算、實驗、繪圖等技能。</p><p><b>　　四、設計要求</b></p><p>　　(1)分析飛機主起落架與機翼連接結構在飛機設計中的地位和重要性，主起落架與機翼連接結構的設計特點、功能和主要問題；</p>

13、;<p>　　(2)分析主起落架與機翼連接結構的載荷情況、使用情況和設計要求；</p><p>　　(3)分析和確定主起落架與機翼連接結構的位置；</p><p>　　(4)進行主起落架與機翼連接結構的分析和設計；</p><p>　　(5)進行結構強度、剛度分析計算</p><p>　　(6)畫出主起落架與機翼連接結

14、構的裝配圖（注意零件之間的裝配關系）</p><p>　　(7)選擇三個零件，畫出零件圖</p><p>　　(8)完成課程設計報告。</p><p><b>　　五、原始資料</b></p><p>　　(1)大客飛機主起落架與機翼連接結構的部分三維零件圖</p><p>　　(2)CJ

15、818飛機主起落架與機翼連接結構參考資料</p><p>　　(3)大客飛機主起落架與機翼連接結構基本尺寸</p><p><b>　　六、設計工作內容</b></p><p>　　(1)分析飛機主起落架與機翼連接結構的形式、作用及特點；</p><p>　　(2)分析、研究飛機主起落架與機翼連接結構的載荷、傳力特

16、性；</p><p>　　(3)進行飛機主起落架與機翼連接結構的方案設計，分析主要的設計參數(shù)</p><p>　　(4)進行飛機主起落架與機翼連接結構的結構設計，說明設計理由</p><p>　　(5)進行結構重量重心分析計算；</p><p>　　(6)進行結構強度、剛度分析計算，分析結構的關鍵部位和危險部位</p>

17、<p>　　(7)繪制結構圖紙</p><p>　　(8)對設計工作進行總結</p><p><b>　　七、設計過程與結果</b></p><p><b>　　1、設計方案的分析</b></p><p>　　機翼是飛機的主承力結構，主起落架是提供飛機用以起飛、著陸( 著水)、滑跑和停

18、放的專門裝置。主起落架與機翼的連接結構除起到連接機翼與起落架的作用外, 更重要的是將起落架上所受的力傳遞到機翼翼根上, 進而傳給機身。這就要求充分了解機翼-主起落架的傳力過程，明確其傳力路線以及影響結構傳力的因素。</p><p>　　1.1現(xiàn)有結構類型、特點分析</p><p>　　大型飛機CJ818機翼-主起落架連接</p><p>　　現(xiàn)代大型民機最常采用的機

19、翼-主起落架連接結構形式是：輔助梁的一端鉸接連接在后梁上，一端鉸接連接在機身的加強框上，不參與機翼的總體受力。起落架內收于機身下，在滿足能夠包容起落架的情況下，開口越小越好。</p><p>　　而大型飛機CJ818采取的形式與這種不同，它的輔助梁沒有與機身的加強框相連，而是采用了一個大的連接接頭與輔助梁和后梁相連，連接接頭的一端用螺栓與后梁連接，另一端是采用了連接耳片與起落架相連，輔助梁插到連接接頭里。<

20、/p><p>　　圖1-1.1.1 CJ818起落架連接形式</p><p>　　在大型飛機CJ818的機翼-主起落架的連接中，若改變連接螺栓的直徑，則主撐桿接頭和后梁的連接面積隨之改變，連接螺栓直徑變大，二者接觸面積變大；反之，變小。在外力不變的情況下，連接螺栓橫截面積、主撐桿接頭和后梁的連接面積的變化，則使得連接結構的應力變化，應力重新在連接結構的各構件內分配。大型飛機CJ818的機翼-主

21、起落架采用螺栓組連接，是靜不定結構，在靜不定結構中載荷按結構的剛度和傳力路線長短分配，即應力的分布變化可以反映結構剛度和傳力路線的變化，那么可以通過應力的定量變化來定性的研究連接剛度和傳力路線的變化。</p><p><b>　　1.2設計方案特點</b></p><p>　　機翼-主起落架連接部位傳力分析</p><p>　　米格-15戰(zhàn)斗機

22、采用梁架式后掠翼。如圖1-2.1.2，為單塊式后掠翼扭矩、彎矩和剪力的傳遞圖。為了解決受力和布置之間的矛盾，在根部采用梁架式結構。后掠翼梁架式布局具有傳力路線短、構造簡潔、質量輕、構思巧的特點。米格-15的結構布置如圖1-2.1.1所示，根肋以外是單塊式結構，受力情況與一般平直翼相同。翼根為了收置主起落架，在前梁和主梁之間的下翼面布置了大開口（圖1-2.1.1的ABC區(qū)），破壞了原單塊式結構的傳力路線；又由于機身無法布置中央翼，而且雙梁

23、式后掠翼上出現(xiàn)的后掠效應會使后梁受載很大，為減輕后梁上的載荷，故此在14肋以內的根部采用了增加一根主梁的結構。主梁、前梁和后梁等若干個梁和根部加強肋、側邊加強肋等組成一個受力構架，由它來承受和傳遞外翼傳來的彎矩、剪力、扭矩以及作用在根部區(qū)的各種載荷。</p><p>　　前梁；2—后梁；3—主梁；4—側肋；5—根肋；6—起落架支柱特型開口加強肋；7—2號前肋</p><p>　　圖1-2.

24、1.1 米格-15翼面結構布置圖</p><p>　　5肋以外的情況類同一般單塊式平直翼，到根部（指5肋以內）轉變成梁架受力。在5肋外通過結構參與把彎矩集中到前、后梁上。在5肋以內由梁架結構受載，并向機身傳遞外側機翼傳來的彎矩、剪力和扭矩。下面分析外翼以及起落架傳來的M、Q和Mt在梁架結構內傳遞的情況。</p><p>　　根部結構的簡化假設：</p><p>　

25、　全部載荷均由根部梁架來承受。除4肋和5肋之外的其他翼肋均不參與總體傳力。</p><p>　　近似假設A—B—C區(qū)的壁板不受力。</p><p>　　5肋在外翼傳來的載荷作用下，其變形近似符合平剖面假設。</p><p>　　各部件的支持情況簡化如下：</p><p>　　前梁1：兩點鉸支梁，分別支持在機身17框和B點上。</p>

26、;<p>　　主梁3：固支在機身24框和側肋上的懸臂梁。</p><p>　　后梁2：固支在主梁和側肋上的懸臂梁。</p><p>　　根肋BD：雙支點梁，一端與后梁鉸接，另一端與點B相連。前支點可看作弱固支，在傳遞扭矩時，起固支作用。</p><p>　　側肋4：接受由前、主、后梁傳來的扭矩分量，并認為它最后鉸支在前梁和主梁接頭處，以雙支點梁形式受彎

27、，然后把彎矩轉變成剪力傳給兩個接頭。</p><p>　　2號前肋：固支在前梁上。</p><p>　　中翼上、下壁板的平衡 側邊翼肋的平衡 根部三角形壁板的平衡</p><p><b>　?。╠）彎矩的傳遞</b></p><p>　　1—前梁；2—三角形上壁板；3—根肋；4—側肋；5—中翼上壁板；6—

28、長桁；7—中翼盒；8—外翼</p><p>　　圖1-2.1.2 單塊式后掠翼扭矩、彎矩和剪力的傳遞</p><p>　　簡化后的梁架布置如圖1-2.1.3所示。根部梁架式結構傳力分析如下：</p><p>　?。╝）前、主梁三角架結構彎矩傳遞 （b）后梁彎矩傳遞</p><p>　　1—前梁；2—后梁；3

29、—主梁；4—側肋；BD—根肋</p><p>　　圖1-2.1.3 彎矩M的傳遞</p><p>　　剪力Q：根據(jù)剛度分配分別以Ｑ１與Ｑ２加在前梁Ｂ點和后梁Ｄ點上。因前梁與機身鉸接，因而近似認為Ｑ１全部改由主梁承受，并直接傳給機身。Ｑ２則由后梁傳到主梁Ｃ點，然后通過主梁接頭傳給機身。</p><p>　　彎矩Ｍ：按剛度分配到B點的大小為M1，后梁D點的彎矩為M2。

30、由于后梁與根肋不垂直，所以M2分成后梁內的彎矩M’2和根肋BD內的彎矩M”2兩路向內傳遞。前梁以雙支點形式受彎，然后把一個力傳給機身，另一個力加到主梁端點B上，由主梁承彎傳給機身。M’2沿后梁向根部傳遞，但因后梁與機身不直接相連，且在根部與主梁有一夾角，所以M’2傳到C點后一個分量傳給主梁，另一個分量由側肋承受。由于主梁與機身軸線不垂直，主梁上的所有彎矩在根部接頭處都要分成兩個分量，分別傳給24框和側肋。</p><

31、p>　　（a）后掠機翼根部扭矩 （b）根部三角架傳扭 （c）前緣扭矩在E點處矢量分解</p><p>　　1—前梁；2—后梁；3—主梁；傳給前梁的力矩分量； 傳給主梁的力矩分量</p><p>　　圖1-2.1.3 扭矩Mt的傳遞</p><p>　　扭矩Q：包含了外翼傳來的扭矩Mt和D點的彎矩分量M”2（如圖1-2.1.3所示）。在根肋

32、處Mt按扭轉剛度分配給前緣閉室和中閉室，分別為Mt1和Mt2。Mt1傳到根部2號前肋處，因與機身無周緣連接，因此Mt1在E點轉化成兩個力矩分量，即傳給前梁，M’t1傳給側肋，再分別傳到機身。Mt2以閉合剪流形式傳到根肋處，由14肋轉成兩種形式的力矩往根部傳遞。其中M’t2以主、后梁腹板上一對剪力形式往根部傳遞；M”t2則由前、主梁及側肋組成的構架承受，然后以前梁和主梁承受的形式向根部傳遞。</p><p><

33、;b>　　2、結構方案</b></p><p><b>　　2.1結構方案圖</b></p><p><b>　　2.2重心分析</b></p><p>　　由于主承力構件為主梁，為了減小附加扭矩，就夠重心位于主梁上，結合機翼外延結構確定最終機翼重心位置。</p><p>　　機翼

34、、起落架結構整體重心應該位于機翼啟動焦點前方一定距離。氣動焦點結合機翼前緣后掠角和機翼后緣后掠角以及平均氣動弦長加以確定，本文中不做分析重點。</p><p>　　3、強度剛度分析計算</p><p>　　起落架的外部載荷, 主要是地面的反作用力。飛機停放時，作用在起落架上的地面反作用力叫做停機載荷，各個起落架停機載荷的總和等于飛機的重量。飛機在著陸接地和地面運動時，起落架外部載荷的方向和

35、大小，與飛機的接地情況、飛機在地面運動的情況、機場的平滑程度、以及減震裝置的軟硬程度等有關。這時由于慣性力的作用，起落架的外部載荷常常比停機時大得多。隨著受載情況的變化，起落架外部載荷的方向和大小都是經常變化的，在這里把主起落架載荷分為垂直、水平和側向三個分量，別進行研究。與地面垂直的載荷叫做垂直載荷；與地面平行、且與輪軸垂直的載荷，叫做水平載荷；與地面平行、且與機輪平面垂直的載荷，叫做側向載荷。各個方向載荷的大小分別等于各個方向的載荷

36、因數(shù)與停機載荷的乘積。</p><p>　　現(xiàn)代飛機的起落架在垂直方向的使用載荷因數(shù)為2.6～3.5；在水平方向的使用載荷因數(shù)約為1～2；側向使用載荷因數(shù)約為0.3～1。下圖為主起落架上一個機輪的受力示意圖:</p><p>　　圖3-1 主起落架一個機輪的受力示意圖</p><p><b>　　符號說明：</b></p>&l

37、t;p>　　Py---------作用于機輪的垂直載荷；</p><p>　　Px---------作用于機輪的水平載荷；</p><p>　　Pz---------作用于機輪的側向載荷。</p><p>　　在下面的分析計算中，邊界條件都是機翼根部固支，停機載荷為飛機起飛重量：5000kg。載荷都是作用在一個起落架上的垂直載荷50000N，水平載荷為3000

38、0N，側向載荷為10000N。厚度的單位為mm，應變的單位為mm，應力的單位為MPa。</p><p>　　起落架與機翼連接位置距離翼根2m，則AC長度為：，AB長度為：</p><p>　　起落架高1m，即主梁尺寸為：長2m，構型為工字型梁加腹板。工字鋼GB 706-88，型號50b(具體尺寸見《材料力學》附錄P394)</p><p>　　腹板厚度為20mm。&

39、lt;/p><p>　　對AC所受X方向的彎矩為，方向與X正向相反，水平向后。</p><p>　　對于C點，B處所受Z方向的彎矩為，方向與Z正方向相同，豎直向下。</p><p>　　水平方向載荷在Y方向扭矩為。</p><p>　　垂直方向載荷對AC中點處扭矩為</p><p><b>　　3.1彎矩分析&l

40、t;/b></p><p>　?。╝）前、主梁三角架結構彎矩傳遞 （b）后梁彎矩傳遞</p><p>　　1—前梁；2—后梁；3—主梁；4—側肋；BD—根肋</p><p>　　圖3-1.1 彎矩M的分析</p><p>　　彎矩Ｍ：按剛度分配到B點的大小為M1，后梁D點的彎矩為M2。由于后梁與根肋不垂

41、直，所以M2分成后梁內的彎矩M’2和根肋BD內的彎矩M”2兩路向內傳遞。前梁以雙支點形式受彎，然后把一個力傳給機身，另一個力加到主梁端點B上，由主梁承彎傳給機身。M’2沿后梁向根部傳遞，但因后梁與機身不直接相連，且在根部與主梁有一夾角，所以M’2傳到C點后一個分量傳給主梁，另一個分量由側肋承受。由于主梁與機身軸線不垂直，主梁上的所有彎矩在根部接頭處都要分成兩個分量，分別傳給24框和側肋。</p><p>　　1、

42、對AC直線的彎矩為，方向與X正向相反，水平向后。側力產生相反的彎矩，合成彎矩為。</p><p>　　2、對于C點，B處所受Z方向的彎矩為，方向與Z正方向相同，豎直向下。</p><p>　　主梁在兩個彎矩作用下校核強度如下：</p><p>　　選定材料：結構合金鋼</p><p>　　優(yōu)點是本材料強度非常高，可以滿足戰(zhàn)斗機的性能需求。&l

43、t;/p><p>　　缺點：材料價格較貴，成本較高</p><p>　　接頭處：合金結構鋼38Cr2Mo2VA 屈服強度：1470mpa</p><p>　　對塑性材料安全系數(shù)n=1.5到2.2 在這里取2</p><p><b>　　則有</b></p><p><b>　　，這里取為

44、0.52</b></p><p><b>　　由本題目的工型梁</b></p><p>　　參數(shù)h=500mm b=160mm，d=14mm d1=20mm Ix=48600cm4，Iy=1170cm4.</p><p>　　下面單方面考慮彎矩對強度的影響：</p><p>　　由慣性矩平行軸定理：IX=Ix

45、</p><p>　　IY=Iy+2A(b÷2)^2=13970cm4</p><p><b>　　總彎矩M===</b></p><p><b>　　由材料力學公式<</b></p><p>　　C處為危險截面。滿足強度條件。</p><p><b&g

46、t;　　3.2扭矩分析</b></p><p>　?。╝）后掠機翼根部扭矩 （b）根部三角架傳扭 （c）前緣扭矩在E點處矢量分解</p><p>　　1—前梁；2—后梁；3—主梁；傳給前梁的力矩分量； 傳給主梁的力矩分量</p><p>　　圖3-2.1 扭矩Mt的傳遞</p><p>　　扭矩：包含了外翼傳

47、來的扭矩Mt和D點的彎矩分量M”2（如圖3-2.1所示）。在根肋處Mt按扭轉剛度分配給前緣閉室和中閉室，分別為Mt1和Mt2。Mt1傳到根部2號前肋處，因與機身無周緣連接，因此Mt1在E點轉化成兩個力矩分量，即傳給前梁，M’t1傳給側肋，在分別傳到機身。Mt2以閉合剪流形式傳到根肋處，由14肋轉成兩種形式的力矩往根部傳遞。其中M’t2以主、后梁腹板上一對剪力形式往根部傳遞；M”t2則由前、主梁及側肋組成的構架承受，然后以前梁和主梁承受的

48、形式向根部傳遞。</p><p>　　作用于前梁的扭矩，此處扭矩由但部分組成，側力產生彎矩的分量：；垂直載荷產生的扭矩分量：；水平載荷產生的扭矩分量：。合成扭矩為：Mt=126530Nm</p><p>　　按剛度分解為Mt1、Mt2，Mt1=126530 Nm</p><p><b>　　則</b></p><p>　

49、　以校核“前梁”受到彎矩作用時的強度，校核如下：</p><p>　　Mt=126530Nm</p><p><b>　　105086Nm</b></p><p>　　則有T=，由第三強度理論該受力情況符合彎扭組合條件：</p><p>　　在危險截面C處滿足強度條件。</p><p>　　3.3

50、剪力及危險部位分析</p><p>　　在這里，我們只考慮Q1，由主起落架傳上來的垂直方向載荷，作用于B點，即Q1=50000N，按照梁的剛度分配剪力到AB、CB、DB由于AB梁與機身鉸接不考慮傳遞剪力，所以剪力Q1由主梁BC傳遞給機身。</p><p>　　中翼上、下壁板的平衡 側邊翼肋的平衡 根部三角形壁板的平衡</p><p><b>

51、;　?。╠）彎矩的傳遞</b></p><p>　　1—前梁；2—三角形上壁板；3—根肋；4—側肋；5—中翼上壁板；6—長桁；7—中翼盒；8—外翼</p><p>　　圖3-3.1 單塊式后掠翼扭矩、彎矩和剪力的傳遞</p><p><b>　　校核如下：</b></p><p>　　剪力公式可知切應力沿

52、壁板高度呈拋物線分布。</p><p>　　由書中P184頁公式，上式可以進一步簡化為</p><p>　　由上面的剪力分析結果F=50000N,查表得，帶入計算解得梁上的最大彎曲應力為</p><p><b>　　滿足強度條件。</b></p><p>　　下面簡單校核主梁的剛度：</p><p&g

53、t;　　對于產生彎曲變形的桿件，在滿足強度條件的同時，為保證其正常工作還需對彎曲位移加以限制，即還應該滿足剛度條件：</p><p>　　式中，l為跨長， 為許可的撓度與跨長之比(簡稱許可撓跨比)，[q]為許可轉角。上列剛度條件常稱之為梁的剛度條件。</p><p>　　通過查找飛機設計手冊，得知許用撓度,E=200Gpa</p><p>　　通過書中計算公式在

54、彎矩M的作用下≤</p><p>　　經過計算得，可知我們選取的工字鋼GB 706-88滿足剛度條件。</p><p><b>　　4、結論</b></p><p>　　通過對俄制米格-15戰(zhàn)斗機的機翼-主起落架連接部位結構形式、作用及特點的考察，我們深入分析、研究了飛機主起落架與機翼連接結構的載荷、傳力特性；進行了飛機主起落架與機翼連接結構的

55、方案設計、結構設計，并對結構強度剛度進行了分析計算與校核，對危險部位和關鍵部位進行了重點分析。</p><p>　　在分析計算設計過程中，我們查閱了大量相關資料，綜合利用網絡、圖書館、航空館實物等資源，結合所學過的知識，并融入我們自己的設計，對米格-15飛機的機翼-主起落架連接部位結構進行了詳細設計分析與校核，達到了課程設計的要求與目的。</p><p>　　與此同時，我們每個人的團隊協(xié)作

56、能力得到了很好地鍛煉，也鍛煉了解決實際問題的能力，為今后工作實踐奠定了良好的基礎，當然我們的工作也存在很多不足、缺陷，我們一定能夠在今后的工作學習中得以改進，不斷提高。</p><p><b>　　八、參考資料</b></p><p>　　《飛行器結構學》. 酈正能主編. 北航出版社.</p><p>　　《現(xiàn)代飛機結構綜合設計》. 陶梅貞主編

57、. 西工大出版社.</p><p>　　《飛機總體設計》. 顧誦芬主編. 北航出版社.</p><p>　　《飛機結構設計》. 王志瑾、姚衛(wèi)星編著. 國防工業(yè)出版社.</p><p>　　《飛機構造基礎》. 宋靜波編著. 航空工業(yè)出版社.</p><p>　　《飛機起落架強度設計指南》劉銳琛編著. 成都: 四川科學技術出版社，1989。<