課程設(shè)計大客飛機起落架與機翼連接結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析

1、課程設(shè)計（說明書）飛機主起落架與機翼連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計及分析學(xué) 院：航空科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè)： 飛行器設(shè)計與工程 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)老師： 何景武 2013年9月29日目錄一、設(shè)計課程題目.2二、研究對象.2三、設(shè)計目的.2四、設(shè)計要求.2五、原始資料.3六、設(shè)計工作內(nèi)容.3七、設(shè)計過程與結(jié)果.3 1、設(shè)計方案的分析.3 1.1現(xiàn)有結(jié)構(gòu)類型、特點分析.4 1.2設(shè)計方案特點機翼-主起落架連接部位傳力分析.52、結(jié)構(gòu)方案.102.1結(jié)構(gòu)方案圖.102.2重心分析.113、強度剛度分析計算.113.1彎矩分析.133.2扭矩分析.153.3剪力及危險部位分析.16 4、結(jié)論.19八、參考資料.

2、20一、設(shè)計課程題目飛機主起落架與機翼連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計及分析二、研究對象飛機主起落架與機翼連接結(jié)構(gòu)三、設(shè)計目的課程設(shè)計是學(xué)生在學(xué)完有關(guān)理論課程及專業(yè)技術(shù)課程后的一個重要教學(xué)環(huán)節(jié)。要求學(xué)生綜合運用有關(guān)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識和實際經(jīng)驗，獨立地解決有關(guān)飛行器設(shè)計專業(yè)范圍內(nèi)比較簡單的典型性的設(shè)計任務(wù)，為畢業(yè)設(shè)計以及畢業(yè)后在專業(yè)工作解決更全面而復(fù)雜的技術(shù)問題打好基礎(chǔ)。其主要的教學(xué)目標(biāo)是在教師的指導(dǎo)下，獨立完成飛機某一部件的結(jié)構(gòu)分析、理論計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計等工作。培養(yǎng)與鍛煉學(xué)生綜合運用有關(guān)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。四、設(shè)計要求(1)分析飛機主起落架與機翼連接結(jié)構(gòu)在飛機設(shè)計中的地位和

3、重要性，主起落架與機翼連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點、功能和主要問題；(2)分析主起落架與機翼連接結(jié)構(gòu)的載荷情況、使用情況和設(shè)計要求；(3)分析和確定主起落架與機翼連接結(jié)構(gòu)的位置；(4)進(jìn)行主起落架與機翼連接結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計；(5)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度、剛度分析計算(6)畫出主起落架與機翼連接結(jié)構(gòu)的裝配圖（注意零件之間的裝配關(guān)系）(7)選擇三個零件，畫出零件圖(8)完成課程設(shè)計報告。五、原始資料(1)大客飛機主起落架與機翼連接結(jié)構(gòu)的部分三維零件圖(2)CJ818飛機主起落架與機翼連接結(jié)構(gòu)參考資料(3)大客飛機主起落架與機翼連接結(jié)構(gòu)基本尺寸六、設(shè)計工作內(nèi)容(1)分析飛機主起落架與機翼連接結(jié)構(gòu)的形式、作用及特點；(2

4、)分析、研究飛機主起落架與機翼連接結(jié)構(gòu)的載荷、傳力特性；(3)進(jìn)行飛機主起落架與機翼連接結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計，分析主要的設(shè)計參數(shù)(4)進(jìn)行飛機主起落架與機翼連接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，說明設(shè)計理由(5)進(jìn)行結(jié)構(gòu)重量重心分析計算；(6)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度、剛度分析計算，分析結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位和危險部位(7)繪制結(jié)構(gòu)圖紙(8)對設(shè)計工作進(jìn)行總結(jié)七、設(shè)計過程與結(jié)果1、設(shè)計方案的分析機翼是飛機的主承力結(jié)構(gòu)，主起落架是提供飛機用以起飛、著陸( 著水)、滑跑和停放的專門裝置。主起落架與機翼的連接結(jié)構(gòu)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(jìn)而傳給機身。這就要求充分了解機翼-主起落架的傳力

5、過程，明確其傳力路線以及影響結(jié)構(gòu)傳力的因素。1.1現(xiàn)有結(jié)構(gòu)類型、特點分析大型飛機CJ818機翼-主起落架連接現(xiàn)代大型民機最常采用的機翼-主起落架連接結(jié)構(gòu)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(nèi)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。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。圖1-1.1.1 CJ818起落架連接形式在大型飛機CJ818的機翼-主起落架的連

6、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(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化，應(yīng)力重新在連接結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件內(nèi)分配。大型飛機CJ818的機翼-主起落架采用螺栓組連接，是靜不定結(jié)構(gòu)，在靜不定結(jié)構(gòu)中載荷按結(jié)構(gòu)的剛度和傳力路線長短分配，即應(yīng)力的分布變化可以反映結(jié)構(gòu)剛度和傳力路線的變化，那么可以通過應(yīng)力的定量變化來定性的研究連接剛度和傳力路線的變化。1.2設(shè)計方案特點機翼-主起落架連接部位傳力分析米格-15戰(zhàn)斗機采用梁架式后掠翼。如圖，為單塊式后掠翼扭矩、彎矩和剪力的傳遞圖

7、。為了解決受力和布置之間的矛盾，在根部采用梁架式結(jié)構(gòu)。后掠翼梁架式布局具有傳力路線短、構(gòu)造簡潔、質(zhì)量輕、構(gòu)思巧的特點。米格-15的結(jié)構(gòu)布置如圖所示，根肋以外是單塊式結(jié)構(gòu)，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（圖的ABC區(qū)），破壞了原單塊式結(jié)構(gòu)的傳力路線；又由于機身無法布置中央翼，而且雙梁式后掠翼上出現(xiàn)的后掠效應(yīng)會使后梁受載很大，為減輕后梁上的載荷，故此在14肋以內(nèi)的根部采用了增加一根主梁的結(jié)構(gòu)。主梁、前梁和后梁等若干個梁和根部加強肋、側(cè)邊加強肋等組成一個受力構(gòu)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。1 前梁；2后

8、梁；3主梁；4側(cè)肋；5根肋；6起落架支柱特型開口加強肋；72號前肋圖1-2.1.1 米格-15翼面結(jié)構(gòu)布置圖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(nèi)）轉(zhuǎn)變成梁架受力。在5肋外通過結(jié)構(gòu)參與把彎矩集中到前、后梁上。在5肋以內(nèi)由梁架結(jié)構(gòu)受載，并向機身傳遞外側(cè)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(jié)構(gòu)內(nèi)傳遞的情況。根部結(jié)構(gòu)的簡化假設(shè)：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。近似假設(shè)ABC區(qū)的壁板不受力。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(shè)。各部件的支持情況簡化如下：l 前梁1：兩點鉸支梁，分別支持在機身1

9、7框和B點上。l 主梁3：固支在機身24框和側(cè)肋上的懸臂梁。l 后梁2：固支在主梁和側(cè)肋上的懸臂梁。l 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。l 側(cè)肋4：接受由前、主、后梁傳來的扭矩分量，并認(rèn)為它最后鉸支在前梁和主梁接頭處，以雙支點梁形式受彎，然后把彎矩轉(zhuǎn)變成剪力傳給兩個接頭。l 2號前肋：固支在前梁上。中翼上、下壁板的平衡 側(cè)邊翼肋的平衡 根部三角形壁板的平衡（d）彎矩的傳遞1前梁；2三角形上壁板；3根肋；4側(cè)肋；5中翼上壁板；6長桁；7中翼盒；8外翼圖1-2.1.2 單塊式后掠翼扭矩、彎矩和剪力的傳遞簡化后的梁架布置如圖所示。根

10、部梁架式結(jié)構(gòu)傳力分析如下：（a）前、主梁三角架結(jié)構(gòu)彎矩傳遞 （b）后梁彎矩傳遞1前梁；2后梁；3主梁；4側(cè)肋；BD根肋圖1-2.1.3 彎矩M的傳遞剪力Q：根據(jù)剛度分配分別以與加在前梁點和后梁點上。因前梁與機身鉸接，因而近似認(rèn)為全部改由主梁承受，并直接傳給機身。則由后梁傳到主梁點，然后通過主梁接頭傳給機身。彎矩：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直，所以M2分成后梁內(nèi)的彎矩M2和根肋BD內(nèi)的彎矩M”2兩路向內(nèi)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。M2沿后梁向根部傳遞，但因后梁與機身不直接相連，且在根部

11、與主梁有一夾角，所以M2傳到C點后一個分量傳給主梁，另一個分量由側(cè)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(cè)肋。（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 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圖1-2.1.3 扭矩Mt的傳遞扭矩Q：包含了外翼傳來的扭矩Mt和D點的彎矩分量M”2（如圖所示）。在根肋處Mt按扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成兩個力矩分量，即傳給前梁，Mt1傳給側(cè)肋，再分別傳到機

12、身。Mt2以閉合剪流形式傳到根肋處，由14肋轉(zhuǎn)成兩種形式的力矩往根部傳遞。其中Mt2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(cè)肋組成的構(gòu)架承受，然后以前梁和主梁承受的形式向根部傳遞。2、結(jié)構(gòu)方案2.1結(jié)構(gòu)方案圖2.2重心分析由于主承力構(gòu)件為主梁，為了減小附加扭矩，就夠重心位于主梁上，結(jié)合機翼外延結(jié)構(gòu)確定最終機翼重心位置。機翼、起落架結(jié)構(gòu)整體重心應(yīng)該位于機翼啟動焦點前方一定距離。氣動焦點結(jié)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。3、強度剛度分析計算起落架的外部載荷, 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

13、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(guān)。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(jīng)常變化的，在這里把主起落架載荷分為垂直、水平和側(cè)向三個分量，別進(jìn)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(cè)向載荷。各個方向載荷的大小分別等于各個方向的載荷因數(shù)與停機載荷的乘積?，F(xiàn)代飛機的起落架在垂直方向的使用載荷因數(shù)為

14、2.63.5；在水平方向的使用載荷因數(shù)約為12；側(cè)向使用載荷因數(shù)約為0.31。下圖為主起落架上一個機輪的受力示意圖:圖3-1 主起落架一個機輪的受力示意圖符號說明：Py-作用于機輪的垂直載荷；Px-作用于機輪的水平載荷；Pz-作用于機輪的側(cè)向載荷。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30000N，側(cè)向載荷為10000N。厚度的單位為mm，應(yīng)變的單位為mm，應(yīng)力的單位為MPa。起落架與機翼連接位置距離翼根2m，則AC長度為：，AB長度為：起落架高1m，即主梁尺寸為：長2m，構(gòu)型為工字型梁加

15、腹板。工字鋼GB 706-88，型號50b(具體尺寸見材料力學(xué)附錄P394)腹板厚度為20mm。對AC所受X方向的彎矩為，方向與X正向相反，水平向后。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。水平方向載荷在Y方向扭矩為。垂直方向載荷對AC中點處扭矩為3.1彎矩分析（a）前、主梁三角架結(jié)構(gòu)彎矩傳遞 （b）后梁彎矩傳遞1前梁；2后梁；3主梁；4側(cè)肋；BD根肋圖3-1.1 彎矩M的分析彎矩：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直，所以M2分成后梁內(nèi)的彎矩M2和根肋BD內(nèi)的彎矩M”2兩路向內(nèi)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

16、力加到主梁端點B上，由主梁承彎傳給機身。M2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M2傳到C點后一個分量傳給主梁，另一個分量由側(cè)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(cè)肋。1、對AC直線的彎矩為，方向與X正向相反，水平向后。側(cè)力產(chǎn)生相反的彎矩，合成彎矩為。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。主梁在兩個彎矩作用下校核強度如下：選定材料：結(jié)構(gòu)合金鋼優(yōu)點是本材料強度非常高，可以滿足戰(zhàn)斗機的性能需求。缺點：材料價格較貴，成本較高接頭處：合金結(jié)構(gòu)鋼38Cr2Mo2VA 屈服強度：1

17、470mpa對塑性材料安全系數(shù)n=1.5到2.2 在這里取2則有，這里取為0.52由本題目的工型梁參數(shù)h=500mm b=160mm，d=14mm d1=20mm Ix=48600cm4，Iy=1170cm4.下面單方面考慮彎矩對強度的影響：由慣性矩平行軸定理：IX=IxIY=Iy+2A(b÷2)2=13970cm4總彎矩M=由材料力學(xué)公式<C處為危險截面。滿足強度條件。3.2扭矩分析（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 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圖3-2.1 扭矩Mt的傳遞扭矩：包含了外翼傳來的扭矩

18、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(zhuǎn)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(zhuǎn)化成兩個力矩分量，即傳給前梁，Mt1傳給側(cè)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(zhuǎn)成兩種形式的力矩往根部傳遞。其中Mt2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(cè)肋組成的構(gòu)架承受，然后以前梁和主梁承受的形式向根部傳遞。作用于前梁的扭矩，此處扭矩由但部分組成，側(cè)力產(chǎn)生彎矩的分量：；垂直載荷產(chǎn)生的扭矩分量：；水平載荷產(chǎn)生的扭矩分量：。合成扭矩為：Mt=126530Nm按剛度分

19、解為Mt1、Mt2，Mt1=126530 Nm則以校核“前梁”受到彎矩作用時的強度，校核如下：Mt=126530Nm105086Nm則有T=，由第三強度理論該受力情況符合彎扭組合條件：在危險截面C處滿足強度條件。3.3剪力及危險部位分析在這里，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。中翼上、下壁板的平衡 側(cè)邊翼肋的平衡 根部三角形壁板的平衡（d）彎矩的傳遞1前梁；2三角形上壁板；3根肋；4側(cè)肋；5中翼上壁板；6長桁；7中翼盒；8外翼圖3-3.1 單塊式后掠翼扭矩、彎矩和剪力的傳遞校核如下：剪力公式可知切應(yīng)力沿壁板高度呈拋物線分布。由書中P184頁公式，上式可以進(jìn)一步簡化為由上面的剪力分析結(jié)果F=50000N,查表得，帶入計算解得梁上的最大彎曲應(yīng)力為滿足強度條件。下面簡單校核主梁的剛度：對于產(chǎn)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(yīng)該