飞机毕业论文讲解

号
分类号
1密 级
(论文)

习中心名称

业名称
行器制造工程
生姓名
导教师
年 9月20日

京航空航天大学毕业设计(论文)


I 北京航空航天大学 本科毕业设计（论文）任务书 Ⅰ、毕业设计（论文）题目： 收缩——展开式机翼的结构设计 Ⅱ、毕业设计（论文）选题意义及要求： 虽然采用传统结构的机翼具有机翼强度高、重量轻以及翼载荷大等优点，但随着现在飞行器结构的发展和现代战争的要求，在一些特殊的情况下，要求飞行器的机翼能进行适当的收缩、折叠等变形。 Ⅲ、毕业设计（论文）工作内容： 结构设计的任务是在飞机总体设计的基础上，设计出能满足各项要求的具体结构。具体的说，机翼的结构设计是根据给定的原始依据，合理的选择机翼结构的受力型式，布置机翼结构的主要受力构件，确定结构元件的数量及尺寸。 Ⅳ、主要参考资料： [1] 林一平.研发中的折叠充气翼飞机[J]. 飞航导弹，2002，8(3) [2] 李玉芬，高俊国.炮兵侦察用无人机[J] .飞航导弹，2003，4 [3] 穆军.美军实施“外科手术”的关键武器[J].现代兵器，1999，5 [4] 动态.小直径炸弹长出“钻石背”弹翼[J].现代军事，2004，4 [5] Jamey D. Jacob, Andrew Simpson, Suzanne Smith. Design and Flight Testing of Inflatable Wings with Wing Warping [J]. Society Automotive Engineers, 2005, 6(3) [6] Andrew Simpson, Jamey Jacob. Aerodynamic Control of an Inflatable Wing Using Wing Warping. AIAA-2005-5133 [7] 雷娟棉，吴甲生.钻石背弹翼外形参数对气动特性的影响[J] .北京理工大学学报，

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II 2006，26(11) [8] 胡其彪.空间可伸展结构的设计及动力学分析研究[D].浙江：浙江大学，2001 [9] Osman M.O.M., Bahgat B.M., Dukkipati R.V. .Kinematic Analysis of Spatial Mechanisms Using Train Components[J]. ASME Trans. J. of Mech. Des, 1981. [10] 张启先.空间机构的分析与综合(上册)[M].北京：机械工业出版社，1984 [11] 祝毓琥，刘行远.空间连杆结构的分析与综合[M].北京：高等教育出版社，1986

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III 收缩——展开式机翼的结构设计 摘 要 机翼/弹翼变形的主要方式有两种，一种是以充气机翼为代表的收缩－展开方式，另一种是以“钻石背”型弹翼为代表的折叠－展开方式。充气机翼通常采用塑料或者橡胶薄膜制造，具有取材容易、造价低、质量轻、制造方便、可折叠、携带吊挂飞机便利、机翼能充气、可伸展、耐疲劳、维护简单、可修补等优点。但是在使

用过程中也会产生问题，本文在此基础上，重点研究了收缩——展开机翼的结构设计。 关键词：机翼；收缩——展开式；结构设计
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IV Contraction——expansion of the wing structure design Author : Kang Di Tutor : Xu Sheng Li Abstract Wing/there are two main ways of elastic wing deformation, a contraction is a delegate with inflatable wings - way, another is a delegate with type "diamond back wing folding - way. Inflatable wings are usually made of rubber or plastic film has drawn easily, low cost, light quality, easy to manufacture, foldable, convenient carrying hanging plane, the wings can inflate, scalable, fatigue resistance, simple maintenance, repair, etc. But also can produce problems in using process, in this paper, on this basis, the research is mainly focused on the contraction - wing structure design. Key words: wing; Contraction, expansion; The structure design.
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V 目 录 1 引言 ............................................................................................................................................................. 1 2 机翼的结构分析 ......................................................................................................................................... 2 2.1机翼的受载 ...................................................................................................................................... 2 2.2机翼在外载荷作用下的受载情况 ................................................................................................... 3 3机翼的结构设计 .......................................................................................................................................... 5 3.1机翼结构设计的内容 ....................................................................................................................... 5 3.2结构设计的原始依据 ....................................................................................................................... 5 3.3各种机翼结构受力型式的特点 ....................................................................................................... 5 3.4机翼受力型式的选择 ....................................................................................................................... 6 3.5机翼结构主要受力构件布置的准则 ............................................................................................... 6 3.6机翼结构受力构件布置的基本原则 ............................................................................................... 7 4 收缩－展开式机翼的结构方案设计

.......................................................................................................... 9 致谢 ............................................................................................................................................................... 13 参考文献 ....................................................................................................................................................... 14
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第 1 页 1 引言 虽然采用传统结构的机翼具有机翼强度高、重量轻以及翼载荷大等优点，但随着现在飞行器结构的发展和现代战争的要求，在一些特殊的情况下，要求飞行器的机翼能进行适当的收缩、折叠等变形。 结构设计的任务是在飞机总体设计的基础上，设计出能满足各项要求的具体结构。具体的说，机翼的结构设计是根据给定的原始依据，合理的选择机翼结构的受力型式，布置机翼结构的主要受力构件，确定结构元件的数量及尺寸。为此，笔者主要对典型受力型式机翼的气动载荷传力路线和机翼主要受力构件的用途以及结构形式进行了研究分析，并提出能够实现收缩－弹出功能的机翼结构方案。
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第 2 页 2 机翼的结构分析 2.1机翼的受载 当飞机在飞行状态时，作用在机翼上的力有：（1）以吸力和压力的形式直接作用在蒙皮上的分布气动力载荷；（2）分布在机翼整个体积上的机翼结构质量力和装载物的质量力；（3）其他部件的集中质量力和支反力。机翼在这些力的作用下处于平衡状态。 设单位长度翼展上的设计气动力载荷为qb，可以用表示（图 2.1.1），其中，而Cαx和Cyα按相对应的设计受载情况下的攻角在机翼极曲线上选取。对于工程计算，β角很小，可以取cosβ= 1。一般假设飞机的全部升力由机翼产生，于是有（2.1.1）式中：
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第 3 页 图2.1.1 气动力沿机翼弦向的分布 机翼的结构质量力为气动力的8% ~15%，它们按与气动力同样的规律分布，即 质量力qw的作用点xm就是抛面的质心，一般位于距前缘40%——50%的弦长处。机翼上分布的气动力载荷和质量分布可以用一个当量载荷代替，即 其中，，其作用点距前缘的距离为 2.2机翼在外载荷作用下的受载情况 用沿翼展分布的载荷q来表示作用在翼面上的力，如图 2.1.2 所示。图 2.1.2 中， c·g为抛面刚心，c· p为压心。假想的从翼面上截取一部分Ssec；它上面的合力为Qsec，Qsec既不通过a-a轴，也不通过z-z轴。由于Qsec的作用，在a-a切面上产生了限制位移的内力一一剪力Q和弯矩M，而相对与z-z轴，产生了弯矩

M。 建立Q使翼梁腹板受剪。在弯矩M作用下机翼承受弯曲变形（图2.1.3），而翼梁缘条和机翼壁板承受拉伸和压缩。
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第 4 页 图2.1.3：气动载荷沿翼展和翼弦方向的分布 图2.1.4：机翼在气动载荷作用下的变形 在扭矩M，的作用下机翼承受总体扭转变形（如上图），而蒙皮和翼梁腹板形成的闭室受剪。 机翼上的分布载荷q实际上作用在与气动升力Y成β角的方向上（Y⊥V），因此，与q同方向的剪力Q和弯矩向量M（M⊥Q）将具有垂直方向的分量（以Qv和Mv）和水平方向的分量（Qh和Mh）。但是，因为β角很小，而惯性矩Jy比Jx二大得多，由Qh和Mh引起的机翼结构件中的应力可以忽略不计，因此，认为机翼剖面上只有3个力:Qv≈Q，Mv≈M和Mt。
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第 5 页 3机翼的结构设计 结构设计的任务是在飞机总体设计的基础上，设计出能满足各项要求的具体结构。具体的说，机翼结构设计是指根据给定的原始依据，合理的选择机翼结构的受力型式，布置机翼结构的主要受力构件，确定结构元件的数量及尺寸。 3.1机翼结构设计的内容 机翼结构设计的内容与一般飞机结构设计相同，主要包括（1）熟悉机翼结构设计的原始条件、基本要求、设计规范等；（2）结构方案设计（选择结构受力型式、主要元件的布置、材料的选取等）；（3）机翼结构的打样设计，根据结构设计方案，确定主要元件的尺寸、连接，并对结构主要性能进行评估；（4）详细设计。 3.2结构设计的原始依据 机翼结构设计的原始依据，由飞机的总体设计给出，包括以下几点： （1）总体性能参数； （2）机翼外形参数； （3）刚度特点； （4）变形特点； （5）连接特点. 3.3各种机翼结构受力型式的特点 机翼结构的受力型式有3种：梁式、单块式和多腹板式。这几种结构型式各有其优、缺点，在选择机翼结构的受力型式时，应合理地利用它们各自的特点。 （1）梁式机翼 翼梁是梁式机翼的主要受力构件，机翼蒙皮较薄。由于翼梁之间的跨度较大，因此便于利用机翼内部的容积；与其他结构受力型式相比，梁式机翼便于开口，而不致破坏原来的主要传力路线；机翼、机身通过几个集中接头连接，连接简单、方便。 但梁式机翼主要依靠翼梁承受弯矩。当机翼高度较小时，其材料利用率降低。结构
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第 6 页 的破损安全性能较差。 （2）单块式机翼 机翼上、下壁板成为主要受力构件。这种结构的机翼刚度特性较好，同时由于结构分散受力，能更好地利用剖面的结构高度，因而在机翼结构

厚度较小时材料利用率较高。但这种结构的连接型式构造复杂、装配工艺也比较困难，且在中单翼布局的飞机上，单块式机翼难以贯通机身。 （3）多腹板式 该机翼主要由上、下蒙皮承受弯矩。它与梁式、单块式机翼相比，材料分散性更大。一般地说，该型式的机翼刚度大、材料利用率也好些，然而也存在类似单块式机翼的缺点。 3.4机翼受力型式的选择 机翼结构受力型式的选择在很大程度上受飞机总体布局影响。需要考虑的因素如下所述。 （1）起落架在机翼上的布置对受力型式选择有直接的影响。 （2）机翼机身相对位置及机身内部布置会影响到机翼、机身的对接型式，并进而影响到机翼受力型式的选择。 （3）机翼几何参数的影响。 3.5机翼结构主要受力构件布置的准则 机翼主要受力构件布置的总原则是在满足结构的强度、刚度等要求下，使机翼结构重量尽可能的轻。其具体准则大致有以下几条： （1）确保气动载荷引起的弯矩、剪力、扭矩能顺利传递到机翼、机身的对接接头处，为此在不受力口盖的开口周围应合理地布置加强件。 （2）在有集中力作用的地方，或者因构件转折、机翼受力型式改变或受力构件布置情况改变等结构不连续的地方，都必须布置相应的加强件。 （3）加强件应尽量综合利用。 （4）机翼、机身的对接点数应综合考虑机翼、机身的受力及机身内部布置的具体
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第 7 页 情况。 （5）翼梁尽量布置在结构高度较大处，元件受力应符合其受力特性，以便提高构件承载时的效率。板、杆结构受集中力时必须布置扩散件。 （6）一般地说传力越直接越好，传力路线短通常可减轻结构重量。 （7）连接处应尽量避免偏心。 （8）在布置受力构件时要注意装配时连接的工艺通路，即工艺上的可接近性。 （9）要考虑结构的可接近性、开敞性，布置必要的维护口盖，留出维修通道等。 （10）注意结构设计的实现性和先进性。选择结构型式时，应注意采用新结构、新材料。 3.6机翼结构受力构件布置的基本原则 受力构件布置的原则可以用来知道主要受力构件的布置。在受力构件布置之初，为使受力构件布置更为合理，应充分合理地运用以下4个基本原则。 （1）加强件的综合利用。加强构件是机翼的主要受力构件，其结构重量在整个机翼中占有很大比例。加强构件的综合利用有利于减轻重量，因为有些载荷不是在同一状态同时作用的。即使是同时作用的载荷，在一个加强构件上所引起的重量增加，也往往比两个加强件分别承载时增加的重量要少。因此在布置受力构件时，应尽量考虑加强

件的综合利用。 （2）传力路线最短原理。只要能够实现结构的既定功能，结构越简单越简洁越好。在静不定结构中，载荷沿着传力路线最短的构件传力最多，因此在静不定结构中，设法使载荷沿着传力路线最短的方向传递得多一些（如果可以有意识地调整构件刚度），这样可以提高整个结构的传力效率，以减轻结构重量。这是在结构设计中加以应用的一个基本原则。 （3）利用静不定结构中载荷按刚度分配的基本原理，人为地改变构件之间的刚度比例和各构件的支持刚度，来改变力在结构中的传递路线，对力的传递进行合理的分配，可以得到比较合理的结构，以减轻重量。 （4）多路传力的结构设计原则。目前飞机结构基本上都要求按照破损安全设计准则来设计，破损安全设计准则最重要的一条是，主传力路线必须是多路的。破损安全结
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第 8 页 构在使用过程中，允许其出现局部损伤，但结构仍然保持足够的强度和刚度，直到下次检查发现其损伤。
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第 9 页 4 收缩－展开式机翼的结构方案设计 通过对常规机翼结构的分析，以及对可伸缩桁架的研究，收缩－展开式机翼的结构可采用如下方案： （1）机翼结构受力型式的选择 由于要实现“收缩－展开”的功能， 即机翼的体积会发生很大的变化，因此，要选择一种具有较大的可利用的内部空间的机翼结构。梁式机翼的主要受力构件是翼梁，而且翼梁之间的跨度较大，因此比较便于利用机翼内部的容积。所以，采用梁式机翼结构比较合适。 （2）蒙皮 机翼要能够收缩，就不可能向传统机翼结构一样将蒙皮全翼展布置，因此，可以把蒙皮设计成“套筒”的型式，将分为若干段的蒙皮套接在一起，各段蒙皮之间可以相对滑动，而蒙皮是有一定厚度的，因此相邻的两段蒙皮中较“粗”的那段蒙皮的外部的翼形，应该与较“细”的那段蒙皮的内部的翼形相同（图2.3.1）。另外，由于不能向常规梁式结构机翼那样布置桁条，蒙皮需要有一定的强度，但为了保持展开后机翼的气动外形，蒙皮的厚度不能太大。
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第 10 页 图4-1：“套筒”式蒙皮之间套接 （3）翼梁 翼梁作为梁式机翼的主要受力构件，所有由气动力载荷作用在蒙皮上产生的弯矩、剪力、扭矩最后都要通过翼梁传递给机身。在收缩－展开式机翼的结构设计中，翼梁除了要作为受力构件以外，还可以作为实现“收缩－展开”功能的伸缩执行机构。 目前比较有效的能够实现伸缩功能且具有较大伸

缩比的机，械机构为空间可伸展桁架。但是三维的空间可伸展桁架体积较大，难以放在机翼内部。因此，选用二维可伸展桁架比较合适。 图4.1.2：二维可伸展桁架 单独的二维析架虽然能够实现“收缩一展开”功能，但是不能向翼梁作为机翼的主要受力构件而承受弯矩、剪力、扭矩等。因此可以考虑将两个二维析架分层布置在机翼中，再用转轴等零件将两个二维析架连接起来，这样就形成了一个二维可展开桁架：
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第 11 页 图4.1.3：三维可伸展架桁 从图 4.1.3（b）中可以看出，通过转轴连接两层二维桁架而构成的三维可展开桁架是一个几何可变的结构，因此，需要在每两个转轴之间布置可折叠的板（承弯片），主要用来承受弯矩和剪力，以实现其翼梁的功能。这样，展开后的机翼与双梁布局的梁式机翼比较相似。 （4）翼肋 翼肋的主要作用是将蒙皮上的气动力载荷传递到翼梁上。因此，在机翼展开后，要求翼肋能够与伸缩执行机构，即三维可展开桁架，相固接。由于伸缩执行机构在机翼内部进行收缩－展开运动，所以，较大的机翼内部空间比较有利。另外，承弯片也需要有一定的高度，从这个角度来考虑，应选择具有较大相对厚度的翼形。 （5）展开的执行机构与锁死机构 如果需要机翼自动展开，则需要在伸缩执行机构中布置储能装置，以提供机翼从收缩到展开状态所需的能量。比较理想且容易实现的储能装置是弹簧或橡皮筋，可以布置在两根转轴之间。具体使用哪种储能装置，要根据收缩后伸缩执行机构内部的剩余空间的大小来决定。当然，如果不需要机翼自动展开，可以去掉储能装置，而由人工手动展开。 无论是自动展开还是手动展开机翼，展开后的机翼都应当是一个几何不变的结构，因此需要设计锁死机构以锁定展开后的伸缩执行机构。锁死机构可分为一次性使用和可重复使用两种，一次性的锁死机构，当机翼展开锁死以后，就不能（或非常难）将机翼再还原到收缩状态，但这种锁死机构的优点是实现容易；可重复使用的锁死机构，可以根据需要来改变展开后的伸缩执行机构的锁定状态，这样，机翼可重复使用。 当然，可重复使用的锁死机构实现起来比较困难，因为其锁定点也要随着可伸展桁
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第 12 页 架一起运动。 综合上述五点，收缩－展开式机翼以二维可展开桁架为基础，由平行分层布置的二维可展开桁架构成三维可展开桁架，并在三维可展开桁架中布置可折叠的板（承弯片）以使展开后的伸缩执行机构能够承弯矩和剪力，即展开后

的伸缩执行机构要能够实现作为翼梁的功能。蒙皮分段，且各段蒙皮的剖面均不相同，蒙皮呈“套筒”的形式套在一起，可以相互滑动。每段蒙皮均与一个翼肋相固接，而翼肋与伸缩执行机构相固接，以将气动力载荷的作用效果最终传递到翼梁（展开后的伸缩执行机构）上去。 由于不同于常规机翼设计，翼形的选择一定要考虑到机翼内部的伸缩执行机构的大小布置。是否采用储能装置以使机翼自动展开，以及采用什么样的锁死机构，要根据收缩－展开式机翼使用的具体情况来确定。 在上述的收缩－展开式机翼的结构设计方案中，包含了分段的可以收缩在一起的蒙皮，可以实现“收缩－展开”功能和承弯承剪功能的伸缩执行机构，以及能够使机翼自动展开的储能机构和展开后使整个机翼固定的锁死机构。
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第 13 页 致谢 首先，我 要 感 谢 我 的 导 师 他 严 谨 细 致、一丝不苟 的 作 风一直 是 我 工 作、学习中的榜样，给了起到了指明灯的作用；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，让我很快就感受到了设计的快乐并融入其中。其次我要感谢同组同学对我的帮助和指点，没有他们的帮助和提供资料，没有他们的鼓励和加油，这次毕业设计就不会如此的顺利进行。 此次毕业设计历时三个月，是我大学学习中遇到过的时段最长、涉及内容最广、工作量最大的一次设计。用老师的一句话概括就是这次毕业设计相当如是把以前的小课程设计综合在一起的过程，只要把握住每个小课设的精华、环环紧扣、增强逻辑，那么这次的任务也就不难了。我此次的任务是做一个项目的招标文件。虽说老师说的话让此次的毕业设计看起来不是那么的可怕，但是当我真的开始着手时，还的确是困难重重。
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第 14 页 参考文献 [1] 林一平.研发中的折叠充气翼飞机[J]. 飞航导弹，2002，8(3) [2] 李玉芬，高俊国.炮兵侦察用无人机[J] .飞航导弹，2003，4 [3] 穆军.美军实施“外科手术”的关键武器[J].现代兵器，1999，5 [4] 动态.小直径炸弹长出“钻石背”弹翼[J].现代军事，2004，4 [5] Jamey D. Jacob, Andrew Simpson, Suzanne Smith. Design and Flight Testing of Inflatable Wings with Wing Warping [J]. Society Automotive Engineers, 2005, 6(3) [6] Andrew Simpson, Jamey Jacob. Aerodynamic Control of an Inflatable Wing Using Wing Warping. AIAA-2005-5133 [7] 雷娟棉，吴甲生.钻石背弹翼外形参数对气动特性的影响[J] .北京理工大学学报， 2006，26(11) [8] 胡其彪.空间可伸展结构的设计及动力学分析研究[D].浙江：浙江大学，2001 [9] Osman M.O

.M., Bahgat B.M., Dukkipati R.V. .Kinematic Analysis of Spatial Mechanisms Using Train Components[J]. ASME Trans. J. of Mech. Des, 1981. [10] 张启先.空间机构的分析与综合(上册)[M].北京：机械工业出版社，1984 [11] 祝毓琥，刘行远.空间连杆结构的分析与综合[M].北京：高等教育出版社，1986 [12] Roberson, R.E., Writtenbure, W. .A Dynamical Formalism for an Arbitrary Number of Interconnected Rigid Bodies with Reference to the Problem of Satellite Altitude Control [C]. 3rdIFAC Congress, 1966 [13] 刘延柱.多刚体系统动力学的旋量－矩阵法[J] .力学学报，1999，5（4）：93-99 [14] Campbell, T.G., Bailey, M.C., Belvin, W.K. The Development of the 15-Meter Hoop Column Deployable Antenna System with Final Structural and Electromagnetic Performance Results[J]. Acta Astronautica, 1988,17(1): 69-77. [15] Rogers, C.A., Stutzman, rge Deployable Antenna Program – Phase 1: Technology Assessment and Mission Architecture. NASA CR-4410, 1911.