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1、第六章 翼面的构造与设计 6.1 概 述 导弹的翼面:各种空气动力面,如弹翼、安定 面(尾翼、反安定面)、操纵面(舵面、副翼)是导 弹弹体的重要组成部分。 弹翼的功用:产生升力,以支持导弹在飞行中 的重力和机动飞行所需的法向力。 安定面:常指尾翼和反安定面,用以保证导弹 的纵向飞行稳定性。 Q剪力 M弯矩 T扭矩 (a)作用于弹弹翼的分布载载荷及集中载载荷 (b)作用于弹弹翼的剪、弯、扭作用力 单单面翼受载载示意图图 6.2 翼面结构型式 6.2.1 蒙皮骨架式翼面 材料沿四周分布,强度、刚度高,重 量轻,被广泛应用在各种飞行器上。 (1) 单梁式翼面(图6.2.1) 单梁式翼面 1 翼梁 2
2、 前墙 3 翼肋 4 桁条 5 蒙皮 6 后墙 7 辅助接头 8 主接头 图6.2.1 单梁式翼面 单梁式翼面特点 由蒙皮、桁条、翼肋、翼梁、纵墙及连接件组 成的。 翼梁是沿翼面最大厚度线布置的,这种布置能 使梁具有最大的剖面高度,且沿翼展展向按直 线变化,在强度和刚度上都有利。 翼肋是顺气流方向排列的,翼肋的间距影响屏 格蒙皮的横向变形,普通翼肋的间距约为250 300 mm。 一个能传弯的主接头和两个不能传弯但能传剪 的辅助接头。 翼面各元件的功用-1 蒙皮 它的功用是形成流线形的气动外形,承受屏 格蒙皮上的局部气动载荷和承受翼面的扭矩。 桁条 用以支撑蒙皮,承受和传递蒙皮传来的横向 载荷
3、。 翼肋 用以形成和维持翼面的翼型,与桁条一起支 持蒙皮;承受和传递蒙皮、桁条传来的载荷。加 强翼肋除了起维形作用外,主要用以承受和扩散 翼面中的横向集中载荷,例如副翼通过悬挂点传 来的集中载荷。 翼面各元件的功用-2 翼梁:它是梁式翼面的主要受力元件。蒙皮、桁条和翼 肋所承受的载荷最后都要传给翼梁。因而,翼面上的全 部弯矩、大部分剪力和由扭矩引起的切向力都是通过翼 梁传给弹身的。 纵墙:结构与梁相似,只是它的凸缘远比翼梁弱,而腹 板则较强。它与翼梁一起承受和传递翼面的剪力和由扭 矩产生的切向力。 连接件:对装配式结构,所有结构元件都通过连接件(如 铆钉、螺栓或螺钉等)连接成一体。从而能起承担
4、载荷的 作用。 (2) 小展弦比单梁式弹翼 如图6.2.2所示: 高速飞行的有翼导弹都采用小展弦比(2)弹翼。 弹翼的构造特点:翼梁和桁条都垂直于弹身,辅助梁与 翼梁斜交于主接头,这样传力路线较短,但梁的上下凸 缘和桁条的凸缘都要按弹翼外形呈双曲线变化,工艺性 较差。 辅助梁:把翼后缘的气动载荷和副翼传来的集中载荷直 接传至主接头。 翼梁沿翼剖面的最大厚度线布置,翼面后缘布置有纵墙 ,翼前缘的桁条沿翼弦等百分线布置。 元件加工及其装配工艺性较好,且弹翼外形较光滑。这 两种弹翼的展弦比都较小,当弦向刚度足够时,可以不 布置翼肋。 图6.2.2 小展弦比单梁式弹翼 (3) 小展弦比多梁式弹翼 如图
5、6.2.3所示: 翼梁和桁条:沿翼弦的等百分线布置;由于翼梁后掠, 翼梁将一部分弯矩传给根肋。图6.2.3(a)所示弹翼中 ,三个翼梁都垂直于弹身。 前墙:沿翼弦等百分比布置,前缘部分的翼肋垂直于前 墙。这种弹翼的前缘可根据热保护要求采用与弹翼主体 不同的结构。 与单梁式弹翼相比,多梁式弹翼传力较直接,但工艺性 较差,与弹身的连接较复杂。 图6.2.3 多梁式弹翼 1 翼梁 2 桁条 3 翼肋 4 加强框 (4) 单块式弹翼 翼肋:等百分线布置,五根翼肋是顺气流方向配置的; 上下蒙皮较厚;并有12对可与弹身相连的连接孔,根肋 上的槽口用以放置螺帽。 蒙皮较厚和桁条布置较密,故弹翼的弯矩是通过由
6、蒙皮 、纵墙、桁条组成的壁板承受拉压来传递的;弹翼的剪 力由纵墙的腹板传递,扭矩由闭合蒙皮传递。 优点:刚度大,蒙皮和桁条的材料能得到充分利用。 缺点:不宜在弹翼上开大开口。由于没有翼梁,弹翼的 上下壁板是主要受力元件,故弹翼与弹身的连接必须用 分散式连接形式,装配复杂。 在展弦比较大的弹翼上常应用单块式结构。 图6.2.4 单块式弹翼 1 纵墙 2 桁条 3 翼肋 4 蒙皮 5 槽口 6 对接孔 7 副翼 6.2.2 整体结构弹翼 为了减少阻力和提高翼面的承载能力需要减少 翼型高度和增加蒙皮厚度,蒙皮骨架结构弹翼 的装配困难,出现了整体结构弹翼。 特点:蒙皮与骨架合为一体,零件与它们之间 的
7、连接件少;弹翼的蒙皮容易实现变厚度,加 强筋可以合理布置;强度、刚度好,承载能力 大;气动外形较好,结构简单,材料单一,装 配工作量小,生产率高,成本低。 (1)辐射梁式加强筋整体结构弹翼 如图6.2.5 所示: 由整体加工的上下壁板铆接而成 翼根前后缘的两个辅助接头可以提高翼根 的弦向刚度,将弹翼的扭矩传给弹身。 图6.2.5 辐射梁式加强筋整体结构弹翼 1 上壁板 2 下壁板 3 铆钉 (2)辐射网格式加强筋整体结构弹翼 由上下整体壁板铆接而成的,辐射加强筋与横 向加强筋一起保证弹翼的展向与弦向刚度大致相 同。 图6.2.6 辐射网格式加强筋整体结构弹翼 (3)菱形网格式加强筋整体结构弹翼
8、 如图6.2.7所示 上、下壁板上有菱形网格的加强筋。 壁板的前缘与后缘起着纵墙的作用,壁板的根部组成加 强根肋,根肋上有14对托板螺帽构成弹翼的分散传力式 接头。 图6.2.7 菱形网格式加强筋整体结构弹翼 1 下壁板 2 上壁板 3 前缘 4 翼尖 5 副翼 6 连接件 (4) 实心弹翼 如图6.2.8所示: 尺寸小的薄弹翼(相对厚度c22.5),常采用实心 结构。 它可以用机械加工、铸造、锻造等方法加工制成。 按照刚度要求,实心弹翼与弹身的连接长度占弦长的20 30; 实心弹翼的重量较重,但它耗费的工时少,成本低。 图6.2.8 实心弹翼 6.2.3 夹层结构弹翼 夹层结构弹翼的特点:
9、抗弯能力较大,耐热绝热性好,气动外形 好,装配工艺性好。 制造工艺较复杂,工艺质量不稳定,特别 是接头和分段处加工制造更困难。 夹层结构上不宜开舱口。 (1)梁式蜂窝夹层结构弹翼 如图6.2.9所示 面积较小的弹翼上常用。 翼梁:矩形剖面的,能承弯、受阻、传剪,蜂 窝夹芯沿展向排列; 在前后纵墙处设置两个辅助接头,增加翼根的 弦向刚度, 构造简单,零件少,工艺性较好。 图6.2.9 梁式蜂窝夹层结构弹翼 (2)轻填料夹层结构弹翼 翼梁为工字形,但凸缘较弱,没桁条,主要受力元 件是蒙皮。为了减轻重量,在夹芯上开了几个减轻孔。 (3)玻璃钢蜂窝夹层结构弹翼 主要元件:上下面板和蜂窝夹芯等 6.3
10、铆接翼面的结构设计 6.3.1 翼面结构设计的原始依据 翼面的功用和工作时间,翼面的理论图、载 荷分布、温度分布、设计技术指标; 翼面的边界情况等; 6.3.2 翼面结构方案的选择 综合考虑所有的设计要求; 导弹的飞行速度; 翼面的工作时间、翼载、气动加热; 翼面的边界情况及其工艺性要求; 方案一:翼面处于助推器上 方案二:翼面在贮箱上 1 翼面 2 副翼 3 螺桩、螺帽、垫圈 4 支撑杆 5 贮箱 6.3.3 结构元件的布置 翼梁有两种布置方式: 翼弦等百分线布置 垂直于弹身轴线布置。 翼肋的布置 翼肋也有两种布置方式: 顺气流方向布; 垂直于翼梁弹性轴线方向布置。 6.3.4 受力元件剖面
11、形状的选择 蒙皮对缝的连接形式: 各种形状的桁条 两种翼肋 翼梁的结构形式和剖面形状 6.3.5 设计计算 (1)屏格尺寸与蒙皮厚度 屏格蒙皮计算模型 (2)翼肋 翼肋受载 (3) 翼梁 翼梁受 载 翼梁凸缘和腹板的计算图 (4) 铆缝设计计算 (5)弹翼的变形计算 用共轭梁法求变形 6.3.6 弹翼校核计算的整体计算模型 强度校核计算结果的正确性主要取决于计算模 型 模型的选取与计算目的、计算方法、计算工具 和结构本身特点等有关。 用有限元计算模型作强度校核计算的整体计算 模型 7 结构的工艺性 1 蒙皮 2 桁条 3 翼肋 1 蒙皮 2 桁条 3 翼肋 4 卡板 图6.3.14 以骨架为基
12、准 图6.3.15 以蒙皮为基准 尾翼与助推器的连接协调 6.4 小展弦比整体结构翼面设计特点 6.4.1 方案选择的特点 化铣零件 6.4.2 结构元件布置与屏格尺寸 对辐射加强筋式整体结构弹翼,仅需布置 辐射加强筋和确定它的数目。 按等强度原则调整蒙皮的厚度,使翼根主 接头处附近蒙皮厚一些。 (1) 局部固支的实心结构翼面 图6.4.2 局部固支的实心结构翼面 图6.4.3 翼面上的压力分布 (2)辐射加筋式整体结构弹翼 辐射加筋式整体结构弹翼 6.5 空气动力加热对翼面结构的影响 (1)空气动力加热 式中 T未扰动气流的温度(K); K空气绝热指数,对理想气体1.4; Ma计算点当时当地
13、的马赫数。 (2)气动加热对翼面结构的影响 1)使结构产生热应力。 2)使结构刚度下降,使翼面丧失形状稳定 性和增加发生颤振的可能性。 6.5.2 空气动力加热的一般防护措施 (1)采用新型的耐高温材料 ; (2)采用热防护层进行隔热 (3) 采用合理有效的耐热结构 6.6 弹翼与弹身的连接构造 对连接接头有三点要求: 1)连接可靠,最主要的是保证传力可靠; 2) 装拆方便、迅速; 3)互换性和工艺性良好等。 6.6.1 耳片式接头 1 翼面主接头 2 螺栓等 3 助推器主接头 4 开口销 5 轴销 6 助 推器辅助接头 7 小轴 8 翼面辅助接头 图6.6.1 耳片式接头 6.6.2 多榫式
14、接头 1 前辅助接头 2 主接头 3 斜螺钉孔 4 后辅助接头 图6.6.2 多榫式接头 6.6.3 轴式接头 梁轴式接头 轴颈式接头 6.6.4 插入式接头 6.6.5 盘式接头 6.6.6 燕尾槽式接头 6.7 操纵面的构造与设计 6.7.1 操纵面的功用与要求 1 前翼 2 弹翼 3 舵面 4 尾翼 5 副翼 图6.7.1 地空导弹 飞航式导弹 1 副翼 2 方向舵 3升降舵 图6.7.2 飞航式导弹 6.7.2 操纵面的结构形式 全动式舵面 副翼的可能构造形式 6.7.3 操纵面转轴的安排形式 一对水平舵的转轴安排 两对舵面转轴的安排 操纵接头与转轴分离 6.7.4 操纵面与弹身或弹翼
15、的连接 1 斜螺钉螺帽 2 舵面 3 转轴 舵面 转轴 图6.7.10 键槽式连接 副翼与弹翼图弹身连接示意 副翼与弹翼、弹身的连接 1 接头座 2 接头耳环 3 纵墙 4 转轴 5 滚珠轴承 图6.7.12 副翼与弹翼、弹身的连接 6.7.5 操纵面转轴位置的选择 图6.7.14 转轴位置的选择 6.8 折叠弹翼 折叠翼面的功用是: 将翼面折转叠合起来与发射箱(筒)内壁相适应, 将导弹装入发射箱(筒)中。当导弹发射后,翼面自动 展开锁定。 折叠翼面的优优点: 便于箱(筒)式贮贮装、运输输和发发射; 节节省了导弹导弹 的贮贮运空间间,增加贮贮运能力。 (2) 设计要求 1)不与相邻结构干涉或碰
16、撞; 2)机构简单、安全,工作可靠; 3)展开时间、展开角度、展开同时性等运 动要求; 4)翼面应定位准确,锁定可靠; 5)注意整翼的气动外形设计。 (3) 设计的初始条件 1)折叠程度,折叠与展开状态的空间尺寸,折叠、展开方 向等要求; 2)折叠翼所在弹身的结构特点和设备布置等情况; 3)展开到位时间、展开角度、展开同时性等参数的数值范 围; 4)折叠翼质量特性; 5)箱式或筒式发射,应明确发射箱、发射筒对折叠翼的要 求。 6.8.2 纵向折叠翼面与机构 1 弹身某舱段后底 2 支座 3 弹翼 4 大扭簧 5 转轴 6 卡块 7 卡块轴 8 小扭簧 图6.8.1 卡块弹性轴式折叠翼 弹珠式潜叠舵面 1 舵 2 舵轴 3 螺钉 4 舵机 5 钢球 6 弹簧 7