典型机翼机身对接结构设计【含CAD图纸和CATIA三维建模】

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[2] 王洪欣，李木，刘秉忠主编.机械设计工程学[M].中国矿业大学出版社，2001. [3] 唐大放，冯晓宁，杨现卿主编.机械设计工程学[M].中国矿业大学出版社，2001. [4] 中国纺织大学工程图学教研室等编.画法几何及工程制图.上海科学技术出版社，1997. [5] 史美堂主编.金属材料及热处理.上海科学技术出版社，1983. [6] 苏翼林主编.材料力学.高等教育出版社，1980. [7] 顾崇衔主编.机械制造工艺学.陕西科学技术出版社，1999. [8] 詹熙达主编.CATIA V5R20曲面设计教程. 北京：机械工业出版社,2013. [9] 詹熙达主编.CATIA V5R20快速入门教程. 北京：机械工业出版社,2011. [10] 刘文珽，罗毅，童明波．概率损伤容限分析模型研究[J]．航空学报，1993，14（3）：136-139． [11] 刘文珽等．概率断裂力学与概率损伤容限/耐久性[M]．北京航空航天大学出版社，1998. [12] 罗毅，黄培彦，刘文珽．裂纹扩展寿命安全可靠性分析模型研究[J]．北京航空航天大学学报，2002，28（1）：113-115. [13] 杜永恩．概率损伤容限分析体系及其关键技术的研究[D]．西安：西北工业大学，2014. [14] K.Y. Lin and A.V. Styuart. Probabilistic approach to damage tolerance design of aircraft composite structures [J]. Journal of Aircraft, 2007,44(4):1309-1317. [15] Spencer B F，Tang J. Markov Model for fatigue crack growth [J]. Journal of Engineering Mechanics，1998,114:2134-2157. 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 5．本毕业设计（论文）课题工作进度计划： 20xx.12.16-20xx.1.10 领任务书、开题 20xx.2.25-2.16.3.9 毕业实习调研，完成开题报告、中英文翻译、论文大纲 20xx.3.19-20xx.4.25 提交论文草稿，4月中旬中期检查 20xx.4.26-20xx.5.6 提交论文定稿 20xx.5.6-20xx.5.13 准备答辩 20xx.5.13-20xx.5.26 答辩，成绩评定，修改完成最终稿 所在专业审查意见：  通过  负责人：              20xx  年    12  月   25  日 毕 业 设 计（论 文）大 纲 设计(论文)题目： 典型机翼机身对接结构CATIA三维建模 学生姓名： 学 号： 专 业： 所在学院： 指导教师： 职 称： 20xx年 2月 27日 第1章 绪论 1.1背景 1.2机翼和机身连接类型 第2章 机翼机身对接接头实体模型的建立 2.1有限元计算模型的简化 2.2几何模型的建立 2.3定义单元类型和材料属性 2.4网格划分 第3章 机翼机身对接接头的接触分析和受力 3.1接触分析 3.2施加预警力 3.3施加载荷 第4章 飞机连接接头多模式可靠性分析 第5章 仿真分析及优化设计 5.1仿真分析 5.2优化设计 第六章 总结与展望 毕 业 设 计（论 文） 设计(论文)题目： 典型机翼机身对接结构CATIA三维建模 学生姓名： 指导教师： 二级学院： 专　　业： 班　　级： 学　　号： 提交日期： 20xx年05月06日 答辩日期： 20xx年05月14日 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 设计（论文）题目： 典型机翼机身对接结构CATIA三维建模   学生姓名： 学 号： 专 业： 所在学院： 指导教师： 职 称： 20xx年 2月 27日 开题报告填写要求   1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效； 2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3．“文献综述”应按论文的框架成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）； 4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。 5、开题报告（文献综述）字体请按宋体、小四号书写，行间距1.5倍。   毕 业 设 计（论文） 开 题 报 告 1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写不少于1000字左右的文献综述： 机翼是飞机上不可或缺的部件，机翼设计的优劣在很大程度上决定着飞机的性能，机翼与机身连接设计得好坏,对降低结构设计重量、便于零件加工、改善对合工艺性和维护性能等,都有极密切的关系。本文是关于机翼机身对接的有限元分析。自20世纪初莱特兄弟发明第一架飞机到当今世界先进的大型航空客机、精密的航天飞机等,飞机结构设计和制造技术有了飞速的发展。当今中国在这方面的成果也非常突出。2010年日16日，中航工业西飞、中航国际和空客公司在天津共同宣布，由西飞国际天津公司总装的首架 A320 机翼在空客天津总装公司成功实现与机身对接，机翼制造质量及水平获得用户满意的装配验证，这标志着 A320 机翼总装项目取得了阶段性成功。 该题目国内外的相关研究动态： 在飞机发展方面。中国的飞机从没有机翼机身接头的冯如一号揭开中国航空史的第一页开始到各类结构完善设计精良的民航飞机、通用飞机、 战斗机、 歼击轰炸机以及直升机等。 在机翼机身方面。机翼机身连接的部分不仅有机身横梁接头与机翼主梁接头， 还有螺栓螺母和垫圈等用于装配两者的零件， 结构比较复杂而且相互之间的接触行为也并不简单，包括一对一、一对多和多对一这三种形式。在有限元发展方面。当前有限元法还有不断发展空间，在我们共同努力下会使其具有愈来愈完善的理论，愈来愈强大的功能，愈来愈方便的使用性能。在有限元发展趋势方面。与 CAD 软件的无缝集成；更为强大的网格处理能力；由线性问题处理进展为非线性问题处理；由处理单一场问题进展为处理耦合场问题；程序面向用户的开放性。 飞机是上单翼、下单翼和中单翼布局。机翼与机身连接大致分为两种类型：第一种是机翼在机身侧边与机身对接连接，用于中单翼布局，机翼不穿过机身的梁式机翼和多腹板式机翼，机翼翼梁接头与机身框接头连接，对接处就是机翼设计分离面；第二种是左右机翼连成一块，通过中央翼与机身连接，用于上单翼、下单翼和让机翼贯穿机身的中单翼布局。一般来说机翼是分段的，分离面沿其展向分布，各段之间的连接采用对接的方式；机翼与机身也是通过对接形式进行连接的，其对接接头位置及数目通常根据机翼受力形式及其尺寸确定。对接接头有仅能传递力的铰接形式、可以实现力和力矩传递的固接形式以及同样能够传递力和力矩的围框式接头形式。本次设计任务本文打算按照以下的思路进行：首先查询相关的资料。了解相关知识和背景，并且掌握现有机翼与机身连接的原理、优缺点和发展现状。分析目前的研究这个方法的不同，选择该项目使用的方法，找出理论依据，并了解目前科研状态下的成果。然后机翼机身对接接头实体模型的建立。在结构有限元分析当中,考虑到计算容量的限制,通常把结构简化为杆、板、梁,采用这种方法构造的有限元模型与实际结构存在较大的差异。本文采用实体建模,真实模拟结构刚度、传力路线。接下来机翼机身对接接头的接触分析和受力分析，通过接触分析、增加预紧力和施加载荷，来研究机翼机身对接接头有限元分析。 此外充分考虑飞机连接接头多模式可靠性分析。从两种不同的模式进行分析与探讨：单个失效模式、结构系统多个失效模式。然后具体一种飞机结构系统多个失效模式可靠性分析。最后进行仿真分析及优化设计。分析接头的强度，满不满足要求，然后各个零部件进行优化。通过这种方式来进行研究。 主要参考文献 [1] 诸德培,《飞机结构的可靠性和完整性》,航空学报,VoL7,N06,1986 [2] 刘宏福,机翼与机身连接设计分析,《飞机设计》,1994 [3] Meirovitch L. Principles and Techniques of Vibrations[M]. New Jersey: Prentice Hall, 1997：542-543. [4] Atkinson K E. Theoretical Numerical Analysis: A Functional Analysis Framework[M]. Springer, 2009： 460-486. [5] Ekeland I. On the variational principle[J]. Journal of Mathematical Analysis and Applications, 1974, 47(2)： 324-353. [6] Wei J, Sun X, Sun W. Research on Numerical Simulation of Structural Characteristics for Twin-screw Rotors[J]. Zhongguo Jixie Gongcheng(China Mechanical Engineering), 2012, 23(18): 2228-2233. [7] 陈良， 高成敏. 快速离散化双线性插值算法[J]. 计算机工程与设计， 2007， 28(15)： 3787-3790. [8] 杜平安. 有限元网格划分的基本原则[J]. 机械设计与制造， 2000 (1)： 34-36. [9] Ravindran A, Reklaitis G V, Ragsdell K M. Engineering Optimization: Methods and Applications[J]. Wiley. com, 2006： 213-217. [10] 李会勋， 胡迎春， 张建中. 利用 ANSYS 模拟螺栓预紧力的研究 [J]. 山东科 技大学学报： 自然科学版， 2006, 25(1)： 57-59. [11] 孙庚茂 ,等. 一种基于钉“ 超元 ” 的复合材料机械连接钉载计算方法 [ J ]. 复合材料学报 , 1998. [12] 梁清香 ,张根全. 有限元与 MARC实现 [M ]. 北京 :机械工业出版社 , 2003. [13] 陈火红. MARC有限元实例分析教程 [M ]. 北京 :机械工业出版社 , 2002. [14] 凌道盛 ,徐兴. 非线性有限元及程序 [M ]. 杭州 : 浙江大学出版社 , 2005. [15] 吴相宪，王正为，黄玉堂主编.实用机械设计手册.中国矿业大学出版社，1993. 毕 业 设 计（论文） 开 题 报 告 2．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 本课题所要研究及解决的问题：本课题是典型机翼机身对接结构CATIA三维建模，机翼机身对接有限元分析，需要在给出和查阅到的设计基本资料上完成有限元分析，得出相关结论，对后续研究有所帮助。并完成下列任务（1）了解机翼机身对接的原理和发展现状。（2）掌握实体建模；（3）学会利用有限元分析软件对机翼机身对接进行仿真计算；（4）利用有限元软件分析机翼机身对接接头的接触分析和受力分析；（5）基于上述分析，对机翼机身对接进行强度优化，以安全高，实用好和强度高为优化目标。拟采用的研究手段（途径）： 1、文献收集 广泛收集与机翼机身技术相关的资料； 2、实践与实习 通过实验室内建设基本模型进行测试分析，通过大量的数据来进行设置的计算机控制系统建立。 3、运用SW、CAD设计软件进行装置图绘制； 4、结合指导老师的指点，分进度，分阶段实施，并对相关问题展开研究。 5、利用有限元分析软件对机翼机身接头进行仿真计算。 毕 业 设 计（论文） 开 题 报 告 指导教师意见： 1．对“文献综述”的评语： 通过文献综述，该生对机身机翼对接接头国内外研究现状有了较清晰的认识，下一步可以通过CATIA和Ansys软件对各种对接接头进行建模分析研究。         2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 本课题深度和工作量适中，具有一定的应用工程价值，相信通过该生对各种机身机翼对接接头的研究，在飞机设计时对对接接头选择时具有一定的参考价值。         3.是否同意开题：√ 同意 □ 不同意                                          指导教师：                                                        20xx年   03 月   08 日 所在专业审查意见： 同意                                          负责人：                                                          20xx 年    03 月   09 日 摘要 机身机翼对接接头对于一架飞机来说是非常重要的，飞机能够依靠升力飞上蓝天，其结构设计将会影响到飞机的性能与安全。因此，本文将从飞机的发展开始研究，根据国内外机身机翼的连接结构的不同，我们能更加深入地了解机翼与机身对接形式，并比较不同的机翼机身对接结构的异同点，本文也会对主要部件的受力进行分析。机身机翼对接结构中主要涉及的零部件有：耳片，翼梁，翼肋，长桁，腹板等。通过研究我们发现现代飞机的机身机翼对接结构中，耳片是非常重要的。 最后，我们会利用CATIA软件对一种机身机翼的对接结构进行建模，并将零部件进行装配。这样能够让我们对机身机翼的对接结构有个更加清楚的认识。 关键词：机翼机身对接结构;CATIA建模;对接形式 II Abstract The butt joint of fuselage and wing is very important for aircraft, because the plane can fly on the sky because of the lift, the structure design will influence aircraft’s safety and performance. So, this article will start research from the development of aircraft , according to the difference of the wing fuselage joint structure from domestic and abroad ,we can understand butt joint structure of fuselage and wing more deeply, and compare the similarities and differences among different butt joint structure of fuselage and wing, this article will analysis the stress of the main parts. The parts that butt joint structure of fuselage and wing mainly involved are: lugs,spar,wing rib,stringer,web etc. Through research we found that in connections forms of fuselage and wing, lugs are very important. Finally, we will make use of CATIA software to modeling a type of structure , and the parts are assembled. This would allow us have a more clear understanding of the docking of the fuselage wings the structure. Key words: butt joint structure of fuselage and wing; CATIA modeling; the form of butt joint 目 录 摘要 II Abstract III 第1章 绪 论 1 1.1课题研究背景和意义 1 1.2国内外研究现状 3 1.2.1国内研究现状 3 1.2.2国外研究现状 4 1.3本文主要的研究内容 6 第2章 机身机翼对接形式 7 2.1机翼的种类 7 2.2机翼相对机身位置 9 2.3机身机翼的对接形式 10 第3章 受力分析 16 3.1翼肋承受的载荷 16 3.2机翼翼梁受载情况 18 3.3螺栓受力形式 19 3.4长桁的受力 19 3.5耳片的受力 20 3.6机身和机翼连接结构的受力 21 第4章 机翼机身对接结构CATIA三维建模 23 4.1CATIA软件的简介 23 4.2机翼机身对接结构CATIA三维建模 23 第5章 总结和展望 38 5.1论文总结 38 5.2展望未来 38 参考文献 39 致谢 40 III 第1章 绪 论 1.1课题研究背景和意义 在慢慢的人类长河中，人们每当看到鸟儿在填空飞翔，便想象着人类能够有朝一日飞上蓝天。中国古代，古人们相像鸟儿一样自由地在天空飞翔但是这只是人们的幻想。后来人们随着科技的发展， 美国的莱特兄弟第一次驾驶飞机飞上了蓝天。 图1-1 莱特兄弟第一架飞机试飞 莱特兄弟当时的飞机还是双层机翼飞机，设计的可靠性还不够高，飞机机翼的材料也十分落后。到了后来，随着科技的发展和经济的提高，人们在飞机的设计与应用上也取得了长俗的进步。 在飞机的设计与制造中，飞机机翼与机身的对接结构也随着时代的发展而变化着。设计师从最初的手工绘图逐渐走向了电脑绘图的发展道路，本文中运用到的CATIA软件就是飞机设计中常用的软件之一。 1 第1章 绪论 现在人们的生活不断提高，人们从以前选择公路铁路出行到现在越来越多的选择坐飞机出行。但是飞机出行也有一定的危险性，据有关资料显示，在飞机的结构性失效过程中，80%都来自于连接的位置，这其中也包括机身和机翼的连接。 在飞机这种大型的交通工具的日常使用中，如果连接设计的不合理，就有可能导致严重的灾难。航空业发展至今，许多空难都是因为飞机的连接结构受损而产生的。根据美国的调查显示，螺栓的联接如果在设计上不合理会引起螺栓连接失效，占比达到20%，而装配的不合理引起的事故也占到了所有事故的30%左右，我们应该注意这些问题。 因此，机身机翼的连接结构的设计对于飞机来说也是非常重要的，飞机设计师也在飞机的设计中更加注意飞机连接结构上的设计的合理性，从而让飞机能更加稳定。所以，我在毕业设计导师的指导下查阅有关资料，选择对典型飞机机身机翼的对接结构进行探讨与研究。 随着飞机的动力的发展飞机的飞行性能得到了极大地提高。而新型材料的使用，也使飞机的性能得到了长俗的进步，使飞机的重量更轻强度更大。机身机翼的连接也从原来的原始的连接方式逐渐走向了一体化连接的道路。另外在零件的制造与装备上也实现了模块化，方便平时的装备与维护。 机翼是为飞机提供升力的结构，而机身与机翼的连接结构也是飞机设计中十分重要的一个部件，它的一个作用是用来连接机身和机翼，另一个作用是转移载荷，保护机翼使其不易折断。对于机身机翼对接结构做必要的分析与设计也是十分必要的，这样可以有效地避免飞机结构上的损坏。 为了让飞机的结构更可靠，性能更优越，同时减轻飞机重量，让飞机制造更加方便快捷，在机身机翼的连接上面，我们必须根据实际的情况来采取不同的方法。 同时运用CATIA软件也可以做到设计的精细化与可靠性，在全世界的设计领域，越来越多的公司和设计机构运用CATIA软件来进行设计，CATIA软件在各个领域发挥着重要的作用。 不同的机型会采用不同的飞机机身机翼连接形式，比如战斗机就和运输机在连接上有一定的差异，而运输机又和名航客机有一定的差异。因此，我们必须了解不同种类的飞机机身机翼连接类型，并能够运用CATIA软件对其进行三维建模，画出机翼机身连接的零件，并对其有一定的认识。 作为一个工科生，在以后的工作中会经常遇到设计方面的问题，这就要求我 42 第1章 绪论 们多多学习不同方面的知识。虽然说飞机典型机身机翼对接结构CATIA建模并不在我们专业的范围之内，但是我觉得如果我能参照老师所给资料，尽力完成这个毕业设计也会让我从中学到一定的知识，也锻炼了我学习和查找资料的能力。所以说，做这个毕业设计对我来说是一种挑战，也是一种锻炼。 1.2国内外研究现状 1.2.1国内研究现状 近代由于中国发展有限，飞机机身机翼的研究方面还十分滞后。后来在前苏联的帮助下，中国也有了自行设计生产飞机的能力，机身与机翼的制造与设计也进一步跟上了世界发展的步伐。在我国综合国力的带动下，我们国家的飞机设计也取得了很大的进步。例如C919，J20等一大批军用民用飞机。 但是回顾我国的飞机发展历史，苏联的飞机设计思想对我国影响深远，在这几十年中，我国几乎每一代主力战斗机和运输机及其轰炸机都是走的仿制苏联的老路。例如我国仿制米格-17、米格-19和米格-21分别研制了我国的主力战斗机歼-5、歼-6、歼-7，所以说我们国家在飞机结构设计上还是有一点苏联的风格。在机翼的设计上喜欢多肋梁式、长桁式的布局，根据机翼剖面的高度和根肋弦长长度的不同而有所区分。下面的表1.1是不同机型机身机翼的对接交点的配置。 表1-1 不同机型机身机翼的对接交点配置 飞机型号 主机翼平面形状 交点数目 承弯交点数 歼5 后掠翼 3 1 歼6 后掠翼 2 1 歼7 三角翼 5 3 歼8 三角翼 6 4 苏式（俄罗斯）喜欢在设计上运用多肋梁式与长桁的结构，这两种设计的特点是交点不多，承受弯矩的交点数量也比较少，因此在机翼部位的结构的力的传递比 第1章 绪论 较集中，在制造接头时就要采用高强度的合金钢来保证强度。 飞机设计在初期，因为飞机的发动机技术有限，飞机速度不快而且机动性不强，在飞机机身机翼结构的疲劳问题上没有那么明显的不足。 在早期我国的飞机设计中，设计的原则是依照静强度，在结构上的重要部件大多运用高强度的钢。但是此材料的裂纹扩展速率大，而且断裂韧性低，这就让结构抗疲劳断裂能力差。在设计连接接头时，因为飞机机翼梁架式结构的特点致使力的传递非常集中，为了减轻重量，同时让飞机拥有更好的性能， 必须用高强度钢做材料，但总体结构布局和气动外形又不允许接头结构有大的改变， 这种情况下，如何进行结构设计，确保飞机的安全。是设计飞机的结构时所面临的一个难题。 1.2.2国外研究现状 众所周知，世界上航空技术最发达的两个国家就是美国和前苏联（俄罗斯）， 两个国家的军事上的竞争，也体现在飞机设计上的竞争。美国和苏联（俄罗斯）在飞机的机身机翼连接上有很多异同点，如下： （1）在结构上美国采用多墙厚蒙皮结构： 苏联（俄罗斯）多采用的是多长桁、 多肋梁式的结构。 （2）美式连接接头处交点数多于苏联（俄罗斯），苏联（俄罗斯）的传力比美式更加集中。 （3）美国在飞机机翼机身的对接螺栓的放置上多采用的水平放置方式； 而苏联（俄罗斯）多采用竖直的放置方式。 （4）美国式飞机的对接接头与苏联（俄罗斯）相比不笨重， 能够减少加工时间， 减少材料的浪费， 而且工艺性较好； （5）苏联（俄罗斯）设计时由于接头少的原因而造成连接结构的传力大，因此对加工有很高要求； 而美国飞机在这个地方的要求没有那么严格。 （6）苏联（俄罗斯）在机身机翼接头设计上比美国更加重视综合性能的设计，而美国比苏联（俄罗斯）的飞机有更好的工艺性同时也更加便于维护。在薄翼中， 也就是相对的厚度小于0.45时， 美国飞机有比较合理的结构布局， 对于减轻结构设计的重量、 改善产品工艺、 提高互换性和使飞行更加安全 都起着重要的作用。苏联（俄罗斯）在以后飞机的结构设计中不断向美国学习，并将美国的优点运用到自己的飞机设计中去。 总结一下苏美飞机接头设计特点： (1) 苏式（俄罗斯）看中结构继承性与部件的综合的利用，美国机型看中低成本、良好的工艺、使用维护方便。 (2) 接头形式：苏式传力比较集中，美式交点数量多趋于分散传力。 第1章 绪论 (3) 工艺性：苏联的方法设计时材料利用率低，接头比美式大，交点比美式少且工艺性和美国相比较粗糙。 (4) 螺栓放置：苏式飞机更多是垂直放置的方式；美式飞机更多采用水平放置的方式两者不同如下： 表1-2 螺栓放置形式 飞机型号 飞机的机翼平面形状 螺栓垂直放置 螺栓水平放置 机翼机身相对位置 机翼两边各自交点数 承弯、 剪交点数 备注 沿航向 垂直对称面 米格17 √ 中单翼 3 1 米格19 √ √ 中单翼 2 1 米格21 √ √ 中单翼 5 2 在交点中有沿航向放置也有垂直放置螺栓 米格31 √ 上单翼 5 3 苏27 √ 中单翼 4 3 歼7 √ √ 中单翼 6 4 F84 √ 中单翼 周边连接 RF101 √ 下单翼 3 2 F100 √ 下单翼 5 3 F104G √ 中单翼 5 5 F4 √ 下单翼 4 2 F5 √ 下单翼 3 F15 √ 上单翼 5 5 F16A √ 中单翼 6 4 F18 √ 中单翼 4 3 A7 √ 上单翼 7 7 幻影2000 √ 下单翼 5 4 海盗 √ 中单翼 3 2 第1章 绪论 1.3本文主要的研究内容 本次设计的课题是典型机翼机身对接结构CATIA三维建模，主要目的是让我提高自己的学习能力，能够自己翻阅设计手册并学习相关知识并运用到设计中去，同时训练对复杂结构进行三维建模的能力。 本文研究的主要内容是飞机机身机翼的典型对接结构的CATIA三维建模，因此我们会对本课题的发展做一个全面的调查与追溯，对于典型机翼机身对接结构的课题来源做一个概括，并说明本课题的研究的意义，让我们对本课题有一个基本的认识。 然后再调查有关国内的研究现状与国外的研究现状，收集相关的数据与案例来体现发展的成果，同时我们也可以从以往的发展中得到相关的经验。通过学习我也知道了自己的不足，在今后的设计中也要参考别别人的经验，从而能够做的更好。简单来说，本文的主要研究内容是： 1.课题来源及研究的背景和意义 2.机身机翼对接形式 3.受力分析 4.机身机翼对接结构CATIA三维建模 第2章 机身机翼对接形式 第2章 机身机翼对接形式 2.1机翼的种类 我们这里所介绍的主要是固定翼飞机的翼型，机翼在大布局上固定翼飞机分为大三角翼、常规、鸭翼的布局形式。 1.常规翼型：在世界范围内应用最广泛的一种翼型就是常规布局，它的特点就是在飞机的尾部有尾垂，而且它后面的机翼小而前翼大，这部分设计室是最为基本的设计。但是按照常规布局设计的飞机在设计上也不是一成不变的，例如现在很多的大型运输机和民航客机在其垂尾顶有小翼，在现代战斗机设计中，很多第三四代战斗机都采用了双垂尾的布局，与此形成鲜明对比的是二代战斗机大多采用单垂尾布局。 很多常规翼型飞机会在机翼上装一个小翼，它的作用是防止飞机在面对气流时会产生紊流，但是这种设计也有他的弊端，因为他会英雄飞机的性能，而且结构重量也会对飞机产生影响，因此很多类型的飞机在设计时不会选择安装这种小翼。 图2-1 常规翼型飞机 第2章 机身机翼对接形式 2.三角翼布局：三角翼型飞机是在世界飞机类型中是非常常见的一种类型。在世界范围内，运用这种设计的有中国和美国的部分无人机、B2隐形轰炸机、F117等都采用这种翼型。上述这种结构的优点是其有利于飞机的隐形设计，而且在设计上结构相对简单，有利于增加机翼内的空间提高载油量和载弹量。但是其不利的方面就是因为只有一个主翼一个尾翼，因此飞机机动性转向性较差。另外，这种设计主要适合机动性要求不高的机型，可以提高飞机的载弹量与适航性，一般用于像隐形轰炸机和无人机这种对机动性要求不高的机型，对于战斗机来说不太合适。 图2-2 三角翼型飞机 3.鸭翼布局：人们在三角翼无法使飞机有好的机动性的前提下，设计师别出心裁地在大三角翼的前面装了一对小的机翼，在尾翼的选择上大多选择双垂尾布局，在改进了这种飞机的设计上飞机外形像一个鸭子，因此人们也形象地叫它鸭翼。 在原本的设计上加装了鸭翼的飞机可以大大地提高飞机的机动性，这也使飞机的设计上又多了选择。鸭翼的优点显而易见，它具备了三角翼的优点，同时又具备了很强大的机动性能。比较典型的战斗机是瑞典“鹰狮”等。 第2章 机身机翼对接形式 图2-3 鸭翼布局飞机 2.2机翼相对机身位置 我们可以根据机翼在机身上的位置的不同，将机身机翼的连接类型分为上单翼、下单翼、中单翼。机翼相对机身位置如下图所示： 图2-4 机翼相对机身位置 图（a)上单翼；图（b)下单翼；图（c)(d)中单翼 1—机翼；2—翼、身对接框；3—锻件；4—贯通部分 上单翼：就是说机翼位于机身的上方，它的稳定性高，但是机身难以做出滚转等动作，机翼离地距离大，发动机不易吸入地面的碎石和泥土等杂物。这种翼型经常运用于运输机，因为运输机对机动性要求不高，但有时在战时必须在条件较差的机场起飞完成战略运输任务。此种翼型的飞机因为机翼离地高，机身起落架离地低，非常适合战略运输机。现在世界主流运输机都采用上单翼构形。 下单翼：飞机机翼相对机身位置在下方，小型飞机体积小机翼离地近，发动机的安装紧凑，所以它的发动机多在机翼的上翼面。这种结构的飞机机动好但是不稳定。民航客机因为对安全稳定要求较高，体积大宽度大，但民航客机也得考虑到维修保养，如果机翼比较高也会增加保养费用，而且由于飞机稳定性和它的翼展成正比，所以只要翼展足够宽就能够保证一定的稳定性。下单翼飞机重心低，这也增加了下单翼飞机的着陆的安全性，正是因为以上的几点所以很多客机多用下单翼。 中单翼;机翼位于机身的中部，中单翼有自己的优点，但是在飞行特点上不如上面两种形式，中单翼和它的字面解释一样显得很平庸，但是它的稳定性很好飞行机动性也很强，适用于多用途的飞机。在当下的战斗机轰炸机的设计中几乎都采用中单翼，因为这种结构各个方面的性能都比较均衡，符合战斗机发展的规律。自从喷气式飞机出现以来，世界各国战斗机都采用了中单翼的设计，到目前为止，大多数世界著名的第三、四代战斗机都采用了中单翼布局。 2.3机身机翼的对接形式 机身机翼对接形式总的来说可以分为两种类型，第一种是在机身的侧面和机身进行对接，这种设计在中单翼中比较常见；另外一种是左边和右边的机翼连在一起，中间的中央翼再与机身连接，这种设计大多用于上单翼和下单翼还有一种是允许机翼贯通机身的中单翼的类型。 在上单翼中有以下几种对接形式： 1.翼梁与框直接连接形式 结构特点：机身的加强框向外延伸分别翼梁与框直接连接形式 优点：对接结构重量轻 图2-5 翼梁与框直接连接形式 1-梁缘条；2-腹板；3-框外伸立梁；4-端肋；5-机身侧壁版 2. 过渡接头耳片叉耳连接式 图2-6 过渡接头耳片叉耳连接式 1—梁缘条；2—翼梁前支臂；3—翼梁后支臂；4—单叉耳接头；5—双叉耳接头；6—机身框加强件 结构特点：（1）机翼贯通机身，通过中央翼的翼梁和机身框连接。 (2) 中央翼的下缘条外部设单叉耳过渡接头盒机身框双耳接头连接，顺航向放置螺栓。 缺点：此连接结构的重量比较大。 3. 缘条直接连接式 图2-7 缘条直接连接式 1-梁缘条；2-立梁内支臂；3-立梁外支臂4-立梁外伸接头 结构特点：中央翼的翼梁缘条加厚处，设置前后的支臂，在连接处通过螺栓和机身加强框外伸立梁接头连接。连接的螺栓受拉和压力。 优点：结构较轻。 在下单翼结构中，机翼与机身的常见连接类型有三种：嵌入式对接形式、翼梁与框直接连接形式、翼梁与框过渡连接形式。 1.嵌入式连接形式 通过空心销将翼梁连接到机身上 第2章 机身机翼对接形式 图2-8嵌入式连接形式 1—空心销；2—中央翼腹板；3—定位螺栓；4—梁接头大锻件；5—侧肋腹板；6—中外翼腹板；7—机身框大锻件；8—塞子 结构特点:（1）用空心销将机身与翼梁对接到机身上面；把中央翼嵌入两个机身加强框之间。 (2) 孔和销子之间涂了润滑剂，机翼受力发生弯矩变形时，因为单个销子不能传递弯矩只能够传递剪力。只能和另外的销子配合起来传递反对称弯矩或者扭矩。 (3) 销子需要同时满足有足够的挤压强度和剪切强度。 缺点：由于机身和框是一体式的，因此不能利用机翼作为受力结构的一部分，而且连接处有偏心弯矩。 2、翼梁与框直接连接形式 第2章 机身机翼对接形式 图2-9 翼梁与框直接连接形式 1-机身蒙皮；2-机身加强框；3-梁缘条；4-梁腹板；5-机身下蒙皮 结构特点：（1）中央翼梁的上下缘条及腹板都与机身加强框直接连接。 （2）螺栓受剪 优点：连接结构重量比嵌入连接形式轻。 3、翼梁与框过渡连接形式 第2章 机身机翼对接形式 图2-10 翼梁与框过渡连接形式 1-中央翼；2-中外翼；3-过渡接头 结构特点：中央翼和中外翼交汇处机身加强框与上缘条伸出双叉耳接头连接。 如上图，有些下单翼飞机也可以通过过渡接头把翼梁和机身框连接。 第3章 受力分析 第3章 受力分析 3.1翼肋承受的载荷 （1）惯性载荷：自身重量所载货物的惯性载荷。 （2）外部载荷：受到空气动力的吸力与压力并传递力。 （3）压缩载荷：当机翼在外力作用下发生形变时，在翼肋上会出现向里的作用载荷，如图： 图3-1 机身弯曲翼肋受压皱载荷 （4）当蒙皮受力发生形变弯曲时，翼肋缘条就会支承压力。 （5）支持压缩和剪切载荷作用下的壁板载荷。 （6）双梁机翼翼肋受弯矩和剪力情况如下图： 第3章 受力分析 图3-2 双梁机翼翼肋受弯矩和剪力情况 翼肋受外载的方式： （1）腹板式翼肋设计中，一般是把集中载荷施加在翼盒上，比如起落架和发动机等载荷重量。 （2）桁架式翼肋中，机翼所承受的载荷分别作用在桁架的接点的地方。在两个连接点之间的翼肋的缘条，受到的力会全部转移到临近的对接点上，所以两点间的杆子受到拉伸与弯曲的作用。 （3）密封肋在整体的油箱当中，会受到油箱中燃油的摆动和燃油压力等所产生的侧向的载荷。 （4）腹板开减轻孔的翼肋当中，翼肋上的剪切载荷与弯曲力矩室友缘条、腹 第3章 受力分析 板和立柱所形成的完整的构件所承担的。 翼肋缘条的最低刚度要求： 设计中桁架肋的设计不单考虑满足强度的要求，同时也要符合最低刚度要求，最低刚度的表达式： 表达式当中：E——翼肋缘条的材料弹性模量 ——翼肋缘条的惯性矩 L——翼肋间距 b——桁架肋立柱间距 D——单位弦长的壁板沿展向的弯曲刚度 3.2机翼翼梁受载情况 （1）机翼的梁腹板在受力时主要承受扭转剪流与剪力，因为受到刚心气动力压心不同位置的影响，后梁腹板受到的剪力小而前梁受到的大。 （2）如果机翼的后掠角比较大并且集中应力向后，机翼的后梁实际刚度比要小于机翼后梁所承受的弯矩。 （3）机翼翼梁承受拉压力，大部分力是壁板支承的。而载荷分配比决定真壁板与翼梁的各自承担多少比例。另外，分配比也是由刚度的大小来决定。通常情况下载荷分配比在7%至15%之间，不可以超过20%。单块式机翼的结构效率取决于翼梁的占比，占比越大效率越低。 （4）当代飞机设计时设计油箱都会设计成整体式，所以飞机 受载时不仅受到气动载荷，还要受到机体内部油箱的内压和燃油晃动所产生的载荷。因此要求腹板在限制载荷下，不能够出现屈曲失稳。 （5）在平时的设计中我们要保证设计使得腹板不受正应力，但是因为腹板它的临界力的提高，机翼的缘条和腹板一起承受正应力，腹板中承受应力的宽度叫做有效宽度。设计中通常选择和梁缘条立筋处对接平齐的那部分的腹板的宽度。有的情况下也可以取腹板高度的八分之一到六分之一当成有效宽度。 （6）通常可以将缘条与壁板一同考虑，设计时应该考虑到要增加梁缘条的惯性半径，这样才会有较高的失稳临界应力。 第3章 受力分析 3.3螺栓受力形式 螺栓的受力形式有三种：分别是拉、剪、拉剪复合三种。 在实际的应用过程中，我们应该根据不同的受力情况来选择相应的螺栓。在受到拉应力时应该选择承拉螺栓，如果受到剪切力选择承剪螺栓，如果同时受到两种作用力而且两种作用力都不能视而不见对此我们应该采用拉剪螺栓。在实际应用中，对于那些要求不高、受力小的对接，如果螺栓的数量比较多、装配时用间隙孔补偿时，这种情况下采用承拉螺栓。 在受力形式的选择上我们应该考虑疲劳性能的要求和结构的特点。当受到的力比较大，有较高的疲劳性能要求的对接我们应该选择受剪形式。如果有时有一些大受力的连接并且采取了抗疲劳的措施，也能采取受拉形式。 在实际应用过程中，如果要考虑到抗疲劳的要求也要受到受拉形式的约束，我们应该采用抗拉疲劳螺栓。 图3-3 螺栓受剪力和拉压力示意图 3.4长桁的受力 在机翼中长桁与蒙皮和翼肋相连，它会承受气动载荷。长桁会承受机翼的弯矩所产生的部分轴向力，是机翼的纵向元件中非常重要的一个结构。另外除此之外，长桁还对蒙皮有一定的支撑。如下图： 第3章 受力分析 3-4 长桁示意图 3-5 长桁受力示意图 3.5耳片的受力 （1）载荷：通过机翼的弯矩可以计算得出耳片的设计载荷P0。因为是比较重要的接头所以要乘螺栓受载不均匀系数1.15和附加安全系数1.25. 耳片受载P=P0×1.25×1.15 （2）耳片挤压 第3章 受力分析 3-6 耳片挤压受力示意图 式中：d——螺钉直径； T——耳片厚度； Kc——挤压系数 (3)耳片拉断 其中：b——耳片上钉孔边距 Kt——不均匀系数，查曲线或近似按下式确定 (4) 耳片剪切 （5）螺栓剪切 因为考虑到螺栓双面受剪： 因为连接处有空隙，螺栓会受到弯矩的影响，机身机翼结合的精度会影响载荷的传递，因此要求比较严格。 3.6机身和机翼连接结构的受力 由于有相似的受力情况所以我们将单块和多腹板式的飞机对接结构的受力称为无对称弯矩受力；而对于没有直接贯通飞机机身的中单翼类型的情况，我们 第3章 受力分析 称为有对称弯矩受力。 有对称弯矩受力，如图3-7，我们可以看见机翼的大部分载荷（扭矩、弯矩和剪力）全部在通过接头传递给机身框架，从而导致框的受力非常大。 扭矩：对称扭矩是翼盒上的腹板和蒙皮受剪切向根部传递的。因为长桁与蒙皮在实际中不会与机身对接，因此要在翼根部放一个加强肋，将闭合剪流变成两个垂直方向的力偶，再通过对接的接头传递给机身。不对称扭矩会进入机内部，再让机身平衡承受。 剪力：机身连接处螺栓会受到剪切力并转移给框架，而接头会受到挤压，也会有纵向力作用给机身。 弯矩：弯矩作用在机身的框架上，螺栓在机身机翼连接处受剪力， 3-7 有对称弯矩受力示意图 如图3-8。由于没有扭矩，在受力时机翼所受到的负荷会由接头直接转移给机身框架。 弯矩：梁式机翼的弯矩主要由梁条承担，单块式的弯矩一般由其上下壁板来承受。 剪力：通过对接的接头所受到压或者拉的方式来传递给机身。 扭矩：对称扭矩由侧面的肋把剪流转变成一对方向相反大小相等的剪流，在机身和机翼的连接处再传递给机身，对于中央翼来说影响不大。反对称扭矩到中央翼盒内，并在中央翼当中能够达到自身平衡。 3-8 无对称弯矩受力示意图 第4章 机翼机身对接结构CATIA三维建模 第4章 机翼机身对接结构CATIA三维建模 4.1CATIA软件的简介 CATIA是达索公司出品的一款软件。达索公司的产品“幻影”和“阵风”系列战斗机，作为一种世界著名的三代战斗机，受到世界各个国家的好评。CATIA作为达索旗下的产品，自然也是在世界各国飞机设计中大量采用的设计软件。 正是因为CATIA软件能够解决几乎全部的设计任务，而且它的混合建模和DMU电子样机模块这项功能也让CATIA软件在同行业的竞争中占据了主导地位。另外CATIA软件的功能也非常广泛，CATIA都能设计。使用者可以使用共13万套以上的CATIA进行设计，可以让使用者随心所欲地进行大大小小的设计，设计范围也十分广泛。 我这次使用的就是CATIA V5版本，这个版本的CATIA软件能够很好地适应个人计算机的日常使用。这个版本更加人性化，增加了一定的功能，对硬件要求不高，兼容性强，而且在不断地改进中。 CATIA的运用：机械加工、飞行器设计、日常生活用品设计、各种工业设计等。 4.2机翼机身对接结构CATIA三维建模 通过学习CATIA软件，并选取一种机身机翼的连接形式进行建模，这种连接主要是靠螺栓螺母与固接接头和铰接接头进行连接的结构。主要零部件有：铰接接头、固接接头、机翼（翼肋、翼梁、长桁等）、螺栓、螺母。 （1）铰接接头CATIA作图过程： 首先点击进入CATIA V5软件，点击开始按钮选择机械设计按钮选择零件设计。 再选择YZ平面进行草图绘制，点击草图，然后点击编辑多重约束对草图1进行约束，然后进行拉伸，再点击去除材料来移除材料。再点击草图键来绘制草图，点击约束按钮来约束盒体的参数，再进行拉伸，得到盒体。 图4-1铰接接头约束 图4-2铰接接头盒体草图及其约束 图4-3铰接接头示意图 (2) 固接接头CATIA作图过程： 首先点击进入CATIA V5软件，点击开始按钮选择机械设计按钮选择零件设计。 再选择YZ平面进行草图绘制，点击草图，然后点击编辑多重约束对草图1并且进行约束，然后进行拉伸。再进行平移操作，得到对称体。绘制草图2，进行约束，再进行拉伸，进行限制长度为20mm。 第4章 机翼机身对接结构CATIA三维建模 图4-4 固接接头草图及其约束示意图 图4-5对草图进行多重约束示意图 第4章 机翼机身对接结构CATIA三维建模 图4-6固接接头盒体草图及其约束 第4章 机翼机身对接结构CATIA三维建模 图4-7 固接接头示意图 （3）十字槽盘头组合螺栓的建模过程： 平垫圈建模过程：先按草图按钮画草图，再进行约束，最后拉伸。 图4-8 螺栓草图及其约束 弹簧垫圈建模过程：先按草图按钮画草图，再进行约束，最后拉伸。 第4章 机翼机身对接结构CATIA三维建模 图4-9 弹簧垫圈草图及其约束示意图 旋转体建模过程：先按草图按钮进行画草图1,旋转体，在进行按约束按钮进行约束。再在上表面画一个十字槽草图，半径0.25mm。选择移除材料按钮来去除材料。 图4-10 旋转体建模过程示意图 凸台1和2的建模过程：先通过草图按钮画草图，再约束其尺寸凸台1的半径为1.3mm,凸台2的半径为1.5mm。再对凸台1和2进行倒角，选择倒圆角按钮，凸台1的倒角长度和宽度分别为0.2mm和45度，凸台2为0.5mm和45度。 第4章 机翼机身对接结构CATIA三维建模 图4-11 凸台1和2的草图及其约束 图4-12 螺栓示意图 (4)螺母CATIA作图过程： 首先点击进入CATIA V5软件，点击开始按钮选择机械设计按钮选择零件设计。 新建零部件，选择XY平面再点击草图进行草图绘制，在点击矩形按钮，选择正六边形，再在原平面上画一个圆，然后点击编辑多重约束对草图1接着进行约束，然后拉伸。再点击去除材料来移除材料。 第4章 机翼机身对接结构CATIA三维建模 图4-13 螺母草图及其约束示意图 图4-14 螺母 凹槽缺角的设计： 如图绘制草图再按凹槽按钮去除材料，得到凹槽倒角。 第4章 机翼机身对接结构CATIA三维建模 图4-15 凹槽缺角的草图 (5) 机翼 机翼主要由翼肋、长桁，翼梁，纵墙，接头等组成。我们在实际的作图过程中先将机翼的每个零部件先画出来，最后再进行装配。机翼各个零部件图如下列图所示。 图4-16 翼肋 图4-17 通过平移得到一组翼肋 图4-18 翼梁及其接头 图4-19 前纵墙及其接头 第4章 机翼机身对接结构CATIA三维建模 图4-20 机翼装配示意图 （6）固接接头与机翼连接 固接接头与机翼连接是一种连接方式，结构在两个方向的平动和一个平面内的转动都被固定，因此这种结构比较稳定，如图4-21。 图4-21 固接接头与机翼连接示意图 第4章 机翼机身对接结构CATIA三维建模 （6） 铰接接头与机翼连接 铰接接头与机翼连接也是机身机翼连接的一种方式，如图4-22。 图4-22铰接接头与机翼连接示意图 第5章 总结和展望 第5章 总结和展望 5.1论文总结 在老师的教导下，通过学习所给资料让对世界上的各种飞机的基本连接结构也有了一定的认识，了解到了不同种类的飞机在机身机翼的对接结构上必须按照适当的方法来连接。 本文从飞机的发展开始研究，根据国内和国外在机身机翼的对接结构上的不同，更加深入地了解机翼与机身对接形式，并比较不同的机翼机身对接结构的异同点，对主要部件的受力传力进行分析。 同时，我也意识到在设计中一个考虑到多个方面的问题，既要考虑到连接的稳定性又要考虑到剪切力的问题，也要注意不同构件之间的相互配合，还要考虑结构重量的问题。考虑到各个方面的问题之后，我们才能更加合理地选择适当的结构。 通过学习CATIA软件，对所选择的结构进行建模，锻炼了自己运用CATIA软件的能力，也使得机身机翼连接件能够更加直观地呈现在我们眼前。 5.2展望未来 通过本次的典型机翼机身对接结构CATIA三维建模这个课题的毕业设计，我们可以看到CATIA在实际的设计中运用面还是十分广泛的，更好地学习CATIA软件对于我们来说也十分必要。因此在今后还要多多学习CATIA的相关知识。 航空航天业在一天一天地进步，飞行器越来越快，这就要求在材料上连接结构必须能够承受大的载荷，在结构上也必须做出更大的改进，使得结构能够适应新的发展需求。特别是现在的一体式机身机翼连接的发展，对行业来说是一次大的机遇，它将使机身机翼的连接更加合理，气动效果更加好，更有发展前景。 中国民航业的规模有了长俗的发展，我国的飞机制造业也迎来了春天。比如国产客机C-919的出现就打破了欧美的垄断，中国在机身机翼连接方面也取得了长俗的进步。我也希望我们国家在机身机翼对接结构的设计与制造上能够紧追世界发达国家，优化设计，改进工艺，从而满足中国飞机的生产要求。 参考文献 参考文献 [1] 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Journal of Engineering Mechanics，1998,114:2134-2157. 致谢 致谢 经过长时间的努力，我查阅了很多资料，也根据老师的要求完成了相关的任务，最终我的毕业设计终于完成了。这次毕业设计凝聚了了我还有我的老师的心血，在这里我要先感谢老师耐心地教导，平时我一有什么地方有疑问就会去找老师，老师也会十分耐心地教我。正是在老师的不厌其烦的教导下我才能顺利地一步一步地将毕业设计完成。 另外老师还给了我相关的毕业设计资料，让我学习了飞机设计手册中的机身机翼的连接部分，让我了解到几种典型机身机翼的连接结构。另外我还学习了CATIA软件，学习了怎么运用CATIA画图。虽然我对机身机翼连接结构不是很熟悉，但是我在不