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1、飞行器结构设计大作业J5飞机垂尾及其与机身的连接设计分析05024班第六组组员：沈强020017董明020006邹晓辉020070朱卫东020843完成日期：2005年7月1日目录一. 结构设计特点1. 加强框缘条2. 元宝接头3. 方向舵前缘的气动补偿二. 主要受力构件的具体位置及作用分析三. 结构主要传力路线及特点分析.结构的连接设计及传力特点分析五.结构在损伤容限方面的设计思想一.结构设计特点（一）：加强框缘条数量:2个位置:从垂尾主梁下端向前下方连接了三个机身框，如图:作用及特点分析:J5/J6都是T型尾翼，横向稳定性较差.常规连接方法是:翼梁和 一个机身框连接，在连接处必须增强，.由
2、于垂尾较薄，在连接处由于 传递弯矩产生的应力非常大,因此为保证安全工作将付出相当大的重化为一对沿梁方向的力.用框缘条把尾梁和三个机身框连接上，由这 两根框缘条将这对力传递给机身框，即由三个机身框提供支反力.显 而易见，这样的连接明显提高了连接的稳定性,质量代价却很小.而且,这样连接对气动外形没有影响.所以，用框缘条连接效率高性价比高.用框缘条连接实现了高的连接效率，是J5飞机结构连接设计的 一大成功之处.（二）：元宝接头数量：四个位置:垂直尾翼与机身连接交汇段,等距布置，第一.三.四个元宝接头分别将尾翼的一个长桁和一个机身框连接起来，第二个元宝 接头对应尾翼根部的一个开口.垂尾与机U的连接作用
3、及特点分析：元宝接头左边用一排铆钉和翼肋铆接，右边用两排铆钉和桁铆接.下沿用三个螺栓与机身框固接.J5飞机垂尾与机身连接是多点连接，即长桁亍和梁分别与机身框连 接，而不是单梁连接.这样连接可以减小连接处的应力.元宝接头可以 作为结构加强件，将长桁传来的集中力沿机体坐标系的X和Y方向分 别传递给机身纵向部件和机身框.元宝接头本身厚度教大与机身又是 通过铆钉连接，所以可以传递教大的力和力矩.尾翼受弯矩作用将转 化为长桁和梁的轴力通过元宝接头传递给机身框.另外，尾翼受到的 剪力和扭矩也可以通过元宝接头有效的传递给机身框.每个元宝接头既为翼肋也为长桁传递载荷，较好的体现了飞机构 件综合利用的原则.（三
4、）：方向舵前缘缺口的补强及气动补偿J5垂尾方向舵仅用4个过渡接头与前部的垂直安定面相连接，较 少的悬挂点使的装配简单而使用中不易卡死.缺点是操纵面受载后容 易变形，最大弯矩较大,结构重量大.通常操纵面的前缘闭室承受大部分的扭矩.然而悬挂接头处前缘 必须开缺口，因此需对传扭缺口进行传扭补强.J5飞机垂尾载荷较小, 采用直接将局部加强，由梁本身承受和传递扭矩.如图：J5飞机垂直尾翼方向舵的补偿面位于安定面后缘的空腔内，当操 纵面偏转时，翼面上下压力差作用在补偿板上起补偿作用.操纵面的 偏角会受到安定面后缘结构高度的限制.如图：及作用分析J5飞机垂直尾翼属于典型的单块式结构，由于垂尾的特点（尾翼 的
5、左右翼在舵不偏.无侧滑时受对称载荷而机翼.平尾上翼面结构主 要受压,设计重点是防止屈曲，下翼面主要拉，设计以疲劳及损伤容限 为重点），左右翼面壁板需综合考虑材料的疲劳和断裂性能及控制应 力水平.J5飞机垂直尾翼的壁板采用了长桁-蒙皮铆接组合式.作为一 款高亚音速战斗机，壁板采用以长桁面积为主的强长桁一一弱蒙皮配 置.长桁走向按平行主梁布置,各翼剖面处长桁数量不同（翼尖最多， 翼根次之，中翼剖面最少）,以满足等强度设计.被打断的长桁与相邻 长桁轴力转化为壁板/蒙皮剪流将力传到相邻长桁/梁缘条上.J5垂尾布置了一根强主梁和后墙与壁板构成单闭室抗扭翼盒.梁、 墙腹板是J5尾翼的传剪构件.梁布置在75
6、%翼弦处，轴线无转折，以使 传力直接,连续,梁布置位置靠后是考虑到后部的方向舵而加强后盒 段.J5垂尾是后掠角达X=55 41的后掠翼，尾翼上翼为正交布置. 止交翼肋对维持剖面形状不利，在肋距相同时,正交肋数量上比顺气 流肋的总长度减少42.6%,结构重量大大降低.此外，止交肋的弯边角 度不沿弦向变化,肋与长桁，梁垂直相交，有利于降低制造和装配成 本。蒙皮被止交肋分成矩形，蒙皮受剪稳定性较好。加强翼肋布置在 翼根处，由于梁，长桁轴线转折，加强翼肋（根肋）属于因结构变化 而布置的载荷再分配肋。受力构件布置的合理性：J5尾翼受力构件传力路线短且直接， 因而结构重量轻。载荷在各构件中的分配与和它们的
7、支持刚度有关， 翼梁支持刚度与支持它的加强框的结构刚度直接相关。垂尾上除方向舵操纵机构外，无机翼上常有的整体油箱和密集的 管线等。因此。无需布置大量的检查维修口盖。垂尾蒙皮分上下两段，提高了裂纹的可控性。三. 结构主要传力路线及 特点分析来流作用在垂直尾翼上的是对称载荷，构成自平衡力系。现在仅 以气动载荷垂直尾翼右翼面受力形式作垂尾结构的传力分析。此时，可以把右翼面等效看成机翼的下翼面，左翼面等效看成是 机翼的上翼面，垂尾为一由单梁、后墙及桁条组成的单块式后掠机翼 （后掠角 X=55 41）。（1）蒙皮初始受载：蒙皮把气动载荷传给长桁亍和翼肋。气动载荷直接作用在机翼蒙皮上。取出相邻长桁和两个普
8、通翼 肋间的小蒙皮分析，可以简化为四边简支板。右翼面气动力为压 力，蒙皮直接把外载荷传给翼肋和长桁。左翼面气动力为吸力， 长桁和翼肋通过铆钉受拉对蒙皮提供支反力。当蒙皮单元体长宽 不悬殊时，气动力分配可按对角线划分，长桁a-c直接受相邻蒙 皮单元体传来阴影面积abcd上气动载荷。如下图蒙皮本身以软板形式受力。即主要手链应力。（2）长桁；长桁把自身承担的气动载荷传给翼肋。气动载荷方向垂直长桁轴线，位于肋平面内。因此翼肋向长桁提 供支持，长桁可以看作在一排翼肋上的多支点连续梁。长桁也可看作 支持在一排翼肋上的多支点连续梁。长桁也就把作用在它上面的气动 载荷传给了翼肋。（3）翼肋：翼肋把自身及收集到
9、的气动载荷传递给蒙皮壁板、 翼梁及墙腹板组成的翼盒。将肋平面上的气动载荷合力Q平移至翼盒在该剖面处的刚心 上，使原传递给蒙皮 Q等效为作用在刚心处大小相等的力AQ和 绕刚心的力矩Mt。梁、墙腹板平面内刚度特性最好，与X 平行， 故支持刚度最大。AQ由梁腹板传递。3产生的弯曲内力将在翼 盒的左右翼面产生大小相等，方向相反的轴力应力，由桁条和翼梁缘 条承担传递轴向力的任务。同时AQ还会在蒙皮上引起剪流。取翼 肋作为分离体，平衡。的内力实际上是由蒙皮提供支反剪流和梁， 墙腹板提供的支反建剪力构成（图示内圈剪流）。由蒙皮及梁腹板，墙腹板组成的单闭室以一圈剪流的方式提供对Mt 的平衡。内力图（4）翼梁的
10、受载。翼梁将翼肋传来的剪力和轴力传入机身。梁腹板上沿展向的支反剪流由梁的上下缘条提供，反过来该剪流 又作用到梁缘条上，使梁缘条以杆的形式受载并向根部传递到机身 上.四. 结构的连接设计特点及 传力特点分析梁在翼根处与沿机身轴向的加强段固接，与梁对应的机身框非加强框, 也没有元宝接头传递梁的缘条轴力和腹板剪流,因此歼5飞机创造性 地把一根跨接三个机身框的加强通条与梁相铆接。通条顺梁走向，无 转折，这样就连续地把梁上的载荷按刚度分配原则传到三个机身框平 面上。离梁最远处的加强框分得的载荷最多。在翼根处，长桁直接把 轴力传到四个元宝接头上，以元宝接头受剪的形式完成力从垂尾向机 身上的传递。五. 结构
11、在损伤容限设计方面的 设计思想损伤容限设计思想贯穿于飞机详细设计阶段的各个环节，以保证 结构在给定的使用寿命期内，不至于因未被发现的初始缺陷、裂纹或 其他损伤扩展而出现实际性的事故。损伤容限设计方法是在应用短列 力学的基础上，从设计制造分析评估，试验及维护方面全方位地实验 结构控制，最终完成损伤容限设计的要求和目标。损伤容限设计方法 在结构设计类型方面的应用主要在于选择：1）缓慢裂纹扩展结构；2） 破损安全结构。典型形式有（1）破损安全多路传力（2）破损安全止 裂结构。J5垂尾蒙皮上有止裂缝。止裂缝将蒙皮分成几块。以桁条作为止 裂件。通过垂尾的的作用可以看出，垂尾大多数情况下是承受扭矩。 因此产生绕垂尾的剪流。蒙皮承受较大的剪力，而且蒙皮内部的应力 也很大。用止裂缝将蒙皮分成几块，一方面有效地减小了蒙皮内部的 应力。另一方面，当某一块蒙皮发生裂纹，裂纹也只会在一小块范围 内扩展而不会扩展到其他蒙皮块。由此结构可以承受较大的载荷，安 全性提高了。破损的安全多路传力路线。J5垂直尾翼是单梁结构。但是与机身框 的连接是由桁和梁共同完成的。（通过元宝接头和机身框连接，梁通 过加强通条与三个机身框连接）。多路传力路线当一条路线毁坏后其 他的传力路线仍能传递破损安全载荷。
