J5飞机垂尾及其与机身的连接设计分析.pdf

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飞行器结构设计大作业
——J5飞机垂尾及其与机身地连接设计分析
学院:航空学院
班级:01041001
题目:J5飞机垂尾及其与机身地连接设计分析
姓名学号
戚琼2010300346
曹健2010300351
申雁楠2010300366
宿梦嘉2010300367
孙锋2010300368
王斌(组长)2010300369:.
目录
一、歼5飞机简况...................................................1
二、翼面结构分析...................................................2
、设计要求和外载特点.............................2
..........................................2
........................................3
............................................3
...............................3
...............................................3
...............................................4
.................................................4
...............................................5
...............................................5
...................................5
......................................5
.....................................6
........................................8
..................................11
三、翼面结构设计..................................................11
....................................12
...................................13
...........................16
..............................................18
.....................................18
***接头...........................................19
四歼五垂尾与机身连接处地容限损伤设计分析.........................20
...............................................20
...............................20
...................................21
.............................22
...................................22
.........................................23
***接头...........................................23
.......................................24
...................................24
...........................................24
五、小结..........................................................25
:.
一、歼5飞机简况
歼-5是中国沈
阳飞机公司制造地
高亚音速喷气式战
斗机(仿制前苏联M
格-17φ),也是中
国制造地第一种喷
-1
沈阳飞机公司于1955年初开始试制歼-,试制原型机
-5自1956年9月投入批生产,到1959年5月停产,共生产767
-5主要用于昼间截击和空战,-5
甲机头装有雷达,-5是一种单座、单发、机头进
气、,后掠角45°,双梁结
,,偏
转角范围为±18°.机翼根部有起落架舱,主起落架收在机翼地两个舱内.
机身全金属半硬壳式构造,
身后部装有可操纵地减速板.
尾翼垂直尾翼分成上下两段,下段固定在后机身地承力斜框上,上段可拆
°41′.垂直尾翼后缘是方向舵,转动角度为25°.水平尾
翼后掠角为45°,安装在垂直尾翼下段顶部,其后缘地升降舵,向上可转动
32°,向下为16°.
起落架前三点式起落架,,主
,
×105帕().
座舱密封式单人座舱,,可以保证飞行
:.

用于收放起落架、襟翼、减速板、、密
封座舱、应急收放起落架和应急刹车等.
动力装置装一台WP-5型离心式喷气发动机,
(2600公斤),(3380公斤).机内燃油1170千克,***两个
400升副油箱.
机载设备超短波指挥电台、无线电罗盘、无线电高度表、信标接收机、敌
我识别器、护尾器、,机头右
,有两
、右翼下可各挂一颗100~250千克地炸弹.
外形尺寸






二、翼面结构分析
、设计要求和外载特点


安定面和可动地方向舵组成,
平尾翼由固定地水平安定面和可动地升降舵组成,它在飞机土主要起纵向安定
:.


产生升力,它也是一个升力面,
尾翼地主要要求也是保证它所承担地空气动力地任务地完成;应具有足够地强
度、刚度、损伤容限、寿命而重量尽可能轻.

1)平衡载荷用以保证飞机纵向气动力矩平衡载荷.
2)机动载荷在不平静地气流或机动飞行时偏转升降舵或方向舵产生地
.
3)不对称载荷在飞机进行侧滑或横滚是引起地载荷是不对称载荷,不
对称地发动机推力也会引起垂尾上地载荷.


,它和翼梁或墙地腹板组
合在一起,形成封闭地盒式薄壁结构承受机翼扭矩;较厚地蒙皮与长桁一起组
成壁板,承受机翼弯矩引起地轴力.
J5飞机地蒙皮较厚,它与长桁铆接在一起,
肋铆接.

分散连接形式和长桁、,
,则长桁和翼肋将通过铆钉受拉对蒙皮提供支反力,使蒙皮处于
,
等、方向相反,分别作用于两相关物体上地原理,:.
本身地受力情况:蒙皮内主要为垂直于蒙皮地横向力引起地弯曲应力.

,承受机翼弯矩
引起地部分轴向力,
一定地支持作用.
J5垂尾以等百分比地形式在主梁和前墙之间布置了四条长桁,每条长桁在
根部通过***
长桁,且位于机身直接相连.
,且处于翼肋平面内,
在此种载荷下,翼肋地刚度比长桁大得多,
,
作用在蒙皮上地气动载荷直接或间接地由长桁全部传给了翼肋.

,
以自身平面内地刚度向蒙皮,
并传递自身平面内地较大地集中载荷或由于结构不连续引起地附加载荷.
5平尾以下了十一根正交翼肋,由于机翼是后掠地,
,用以传递平尾处地集中载荷.
翼肋地外载有蒙皮直接传来地部分初始气动载荷(分布载荷)和由长桁传来地气动载荷
(小集中力),它们地合力作用在该翼剖面地压力中心上,
皮、长桁、梁缘条及梁(墙)腹板与翼肋相连接,故翼肋是被支持在一个由这些元件组成地
多闭室上,这些元件提供了翼肋承载地支反力.
:.

翼梁有腹板和缘条组成,是单纯地受力构件,
根部与机身固接.
J5采用了一根主梁,通过机身一个斜置地加强框与机身固接,固接处采用
了螺栓地形式.
,其中一
部分传给了翼梁,即以剪流形式传给腹板剪力,以轴向力形式传给梁上下缘条一对大小相
等,,可略去不计,故腹板以平板受剪形式平
衡,,从翼尖到翼根,一个个剪力
加到梁腹板上,最终由翼根上地连接接头提供y向支反力来平衡.

纵墙与蒙皮等组成封闭盒段承受机翼地扭矩.
J5飞机在垂尾前缘和后缘均设置了墙,加上主梁,使垂尾形成两个封闭盒
.

J5飞机垂尾上共有一根梁,前后两根墙,、墙和腹板
,、长桁、和蒙皮
组成地壁板具有很强地面内拉、
连,参与剪力、扭矩和弯矩地传递,故属于单块式结构.

飞机尾翼部分用于保证飞机地纵向及航向地平衡与安定性,以及实施对飞机地纵向及
航向地操纵,-5地垂尾为梁式翼
面结构,以中间闭室翼盒(去除前、后缘盒段)作为主要传力盒段,长桁较多,:.
(即由前墙和翼梁组成地闭室)为主要地传力闭室.
无论对分布地气动外载还是与方向舵地对连接接头传来地集中载荷,经加强肋将集中
力进行转移,,分为剪力、弯
,进而传给机身结构.

图示2-1
1)蒙皮:
铆钉以分散连接形式和长桁、,
,则长桁和翼肋将通过铆钉受拉对蒙皮提供支反力,使蒙
,
大小相等、方向相反,分别作用于两相关物体上地原理,蒙皮也就把外载传给了翼肋和长
::.
图示2-2
2)长桁:,且处于翼肋平
面内,在此种载荷下,翼肋地刚度比长桁大得多,
.
至此,作用在蒙皮上地气动载荷直接或间接地由长桁全部传给了翼肋.
图示2-3
3)翼肋:翼肋地外载有蒙皮直接传来地部分初始气动载荷(分布载荷)和由长桁传来地气动
载荷(小集中力),它们地合力作用在该翼剖面地压力中心上,并近似认为它垂直于翼弦线.
蒙皮、长桁、梁缘条及梁(墙)腹板与翼肋相连接,故翼肋是被支持在一个由这些元件组成
地多闭室上,:.
图示2-4
图示2-5
4)翼
梁:翼梁将
翼肋传来地
剪力及轴力

动载荷传递到翼盒上,其
中一部分传给了翼梁,即以剪流形式传给腹板剪力,以轴向力形式传给梁上下缘条一对大
小相等,,可略去不计,故腹板以平板受剪形
式平衡,,从翼尖到翼根,一个个
剪力加到梁腹板上,最终由翼根上地连接接头提供y向支反力来平衡.

垂直尾翼上作用有分布地气动载荷和质量载荷,其中气动载荷由平衡载荷、机动载荷

定长飞行状态时地平衡,
总体力地受载情况,垂直安定面承受分布地气动载荷和在舵面悬挂点处地集中支反力.
,两普通翼肋之间地一小块蒙皮
,若气动力为吸
力,则长桁和翼肋将通过铆钉受拉对蒙皮提供支反力;若气动力为压力,蒙皮将直接压在
翼肋和长桁上,根据作用力与反作用力原理,
单元体长宽不很悬殊时,可按对角线划分,:.
图示2-6
长桁a-d直接受相邻
两个蒙皮单元体上传来
地阴影面积abcd上地气

用角片(或间接地通过
蒙皮)相连,蒙皮与翼
肋铆接,最终气动载荷

载如图示所示.
图示2-7
歼-5地垂尾为梁式结构地机翼,以中间闭室翼盒(去除前、后缘盒段)作为主
要传力盒段,长桁较多.
总体剪力:通过各肋与梁腹板以及墙地连接以剪流形式作用在梁腹板和墙上,如图示
所示.
图示2-8
根据剪力互等定
理,梁腹板或墙地上、:.
下边以及靠近翼根且与翼肋相连接地边均会受到剪流地作用,由梁缘条提供展向地支反剪
流,引起轴力R1,形成弯矩;墙地上下边地剪流由与上下边相连地蒙皮提供支反剪流,蒙
皮中地剪流传给长桁,在长桁中引起轴力R1,形成弯矩;对边地剪流由梁腹板和墙以平板
受剪形式平衡,并传往翼根,
翼稍至翼根与许多翼肋相连,故每根翼肋承受地剪力由翼肋加至梁腹板或墙上.
歼-5飞机地尾翼与机身通过左右两边对称地四个***
接通过***街头传递给与之相连地机身斜加强框;与接头相连地长桁中地轴力可直接通过
,转化为集中载荷,通过接头直接传与机身.
总体扭矩:作用在某一翼肋上,由与该翼肋相连地蒙皮、梁腹板以及墙所组成地闭室
提供地一圈支反剪流进行平衡.
取一个翼肋以及与该翼肋相邻地前后两个
封闭盒段地1/2为研究对象,蒙皮上收集到地

地扭矩转化为该翼肋所在地闭室地一圈剪流,

许多翼肋,每经过一个翼肋,闭室地扭矩要加

部分,总体扭矩由翼根地水平侧边肋承受,一
部分由***接头传与机身;另一部分由对接角
图示2-13
条直接传与机身.
图示2-9
总体弯矩:
由上、下壁板提
供地一对大小相
等、方向相反地
轴向力(在蒙皮
上是分布正应
力,在梁缘条及长桁上是集中轴力)来平衡(如图所示).:.
梁缘条与长桁上因弯矩引起地轴力由翼稍传往翼根并不断累积,在翼根处达到最大
值,,故机
身框只能承受所在平面内地力(长桁轴力地垂直分量),因而长桁上轴力地垂直分量由机
身框承受,而轴力地水平分量必须由另一构件提供支反力,为此,尾翼机身接合处布置有
.

垂直安定面地墙、长桁与机身通过***接头与机身连接,梁直接连于机身地侧加强
框,蒙皮与机身通过一圈对接角条与机身连接.
P
图示2-10
当垂尾受到一平行于机体坐标系z轴正方向地力P(如图示所示).当力P
-5飞机地垂尾地梁为后掠式布
置,故力P给机身地作用等效有分量My和Qx,其中分量My由机身地长桁提供
x向地轴力与之平衡,分量Qx由机身框提供一圈支反地剪流与之平衡.
三、翼面结构设计
梁在翼根处与沿机身轴向地加强段固接,与梁对应地机身框非加强框,也没
有***接头传递梁地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
,无转折,这样就连续地把梁上
:.
,长桁直接把轴力传到四个***接头上,以***接头受剪地形式
完成力从垂尾向机身上地传递.

图示3-1J5垂尾结构
:.
图示3-2垂尾结构布置示意图

1)翼面壁板结构
翼面壁板结构主要受压和拉,设计重点是防止屈曲和以疲劳损伤容限为重
—(聚交式布
置),此时长桁本身无扭曲,,为了满足等强度设计要
求,在机翼根部,,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),
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.
2)梁与墙地布置
J5垂尾布置了一根强主梁,、墙腹板
%翼弦处,轴线无转折,以使传力直接,连续.
这样对结构强度、
段.
前后共布置两根墙,与梁和壁板构成闭室.
歼-5飞机垂尾地主梁很强,蒙皮较薄.
梁缘条截面积与长桁截面积相差大,且梁高
度较大,故梁地弯曲刚度比由蒙皮,长桁,

总体弯矩时,按照刚度分配原则,将由梁缘

头处沿梁轴线方向布置一斜加强框,当弯矩
传到垂尾根部时,通过固接接头弯矩传给了
斜加强框.
垂尾上地总体力大部分由梁承受并传递.
与梁相连地斜加强框承受了梁传来地弯矩,
图示3-1
:.
框,
分,当斜加强框上地力给机身框和长桁传递时,机身上相关部分需要加强,这些都不可避
免地增加了飞机地重量.
3)翼肋布置
J5平尾以下了十一根正交翼肋,由于机翼是后掠地,所以翼肋长度变化很
,用
以传递平尾处地集中载荷.
4)垂尾机身连接形式
图示3-4
歼-5飞机在垂尾和机身之间两侧分别等距分布有四个***接头,***接头实现了垂尾
与机身之间地连接.***接头左边用铆钉同时铆接了侧边肋和根部加强肋,右边用铆钉同时将
侧边肋缘条和长桁铆接在一起,下沿用铆钉与机身框固接.
***接头将长桁与机身连接,不打断传力路线,将长桁上地力传给机身需要对其进行
分解,一方面传给机身框,另一方面传给盖板.

排铆钉和长桁连在一起,
身连成了一个整体,便于力通过垂尾向机身地传递,但由于角条太弱,故在垂尾每一侧地
角条上均分布了四个***,但沿横向
强度较弱,可视为弱固,这么设计是因为方向舵地不定期偏转产生地气动力对垂尾造成地
横向地非定常载荷,如果横向强度太大,则该连接处很容易因为非定长载荷而导致疲劳破
-5在横向强度较小,提供了一定地柔性,增加了连接结构地寿命,这是连接设计地:.
一大特点.
长桁上地轴力通过铆钉传到侧边肋和***接头,侧边肋上地力又通过铆钉也传到***
接头,即长桁上地力最终都传到***接头上,然后通过***
轴力沿x、z向均有分量,这就要求***接头与机身地连接可以同时传递这两个方向地力,
而***接头下沿通过三个螺栓与机身框固接正好可以满足这种传力要求.
垂尾上传来地剪流(剪力、扭矩、弯
矩产生地)大部分通过梁腹板传递,还有
弯矩产生地轴向力大部分通过梁缘条传
递,基于以上原因,翼梁缘条地传力很重

上地斜加强框上,且在连接处斜加强框地
切线方向与翼梁地方向相同,避免了因为

强框把尾梁和三个机身框连接上,由斜加
强框将力传递给机身框,即由三个机身框

图示3-5条水平加强桁条,根据
刚度分布原则,它将承受大部分斜加强框
传递过来地X方向地轴力,其余斜加强框地X方向分力由其余桁条承受,该部分分力较小.
显而易见,这样地连接明显提高了连接地稳定性,,这样连接对气动
,用斜加强框连接效率高性价比高.
:.
图示3-6主梁通过螺栓与机身斜置加强隔框相接
图示3-7长桁通过***接头与机身隔框相连

;平尾与
垂尾相连接地加强肋;翼根处长桁地加强;开口处地加强,;与主梁相连接地隔
:.
图示3-8开口处加强
图示3-9与平尾连接处地加强肋
图示3-20机身斜置加强隔框:.


从垂尾主梁下端向前下方连接了四个机身框,如图:
图示3-31
对于歼五而言,其尾部为T型尾翼,对此类尾翼而言,一般是翼梁和一个
机身框相连接,由于尾翼向机身传递弯矩会产生非常大地应力,需要对连接进
行加强.

,由这两根框缘条将这对力传递
给机身框,,这样地连接明显提高了连接地
稳定性,,,用框缘条连
接效率高且性价比高.
:.
***接头
图示3-42
***,等距布置,第一、三、四个元
宝接头分别