基于CATIA的飞机尾翼结构设计

摘 要：本文以轻型飞机的尾翼结构为研究对象，运用CATIA软件进行尾翼结构设计与建模。首先分析了尾翼各部件的受力特性和各部件间力的传递方式，完成了尾翼的横向构件和纵向构件的布置。最后，运用工程算法对尾翼的水平安定面翼肋进行了腹板开口计算，得到了此模型中水平安定面的翼肋开口处满足剪切弹性失稳要求的结论。

关键词：飞机设计；尾翼；CATIA；工程算法

近年来，超轻型飞机的发展引起了我国航空界人士和使用部门的极大关注，主要原因在于，超轻型飞机具有低空、低速、稳定和安全等特点，而且结构简单、重量轻、价格便宜、比较容易操纵、维护起来方便，可广泛应用于农林畜牧业、徒步勘探、航空摄影、航空体育和居家旅游等。因此，伴随着我国的经济持续发展和人民生活水平的逐步提高，这种飞机将会拥有广泛的应用前景，是通用航空技术未来发展的方向之一。而飞机尾翼是飞机结构中很重要的部件，所以对轻型飞机尾翼的研究有着很大的意义。

1 水平尾翼承力系统及构件布局

运用CATIA软件对平尾进行设计建模[13]。水平尾翼包括水平安定面和升降舵。

水平安定面为梁肋式蒙皮结构，横向主要受力构件为前梁、后梁，纵向受力构件为翼肋，它由8根肋、2根梁、4个接头和蒙皮等组成，翼梁和翼肋均采用δ=1.0mm钣金件。展向左右端肋距离为 1269×2mm，翼根弦长为 500mm，翼梢弦长为 280mm，安装角为9°（绕原点坐标），顺流布置，与前后缘组成梯形翼面。水平安定面是与蒙皮采用铆接的双梁式结构。

升降舵也为梁肋式蒙皮结构。同水平安定面一样，横向受力构件为翼梁，纵向受力构件为翼肋，它由 12 根肋、1 根梁、2 根后缘缘条及蒙皮组成，翼梁和翼肋均采用δ=1.0mm钣金件，升降舵是与蒙皮铆接的单梁式结构。升降舵有四个挂点接头与水平安定面后梁上的四个挂点接头对接。

2 垂直尾翼承力系统及构件布局

垂直尾翼包括垂直安定面和方向舵。

垂直安定面為梁肋式蒙皮结构，横向主要通过肋的布置来传递所受的力，纵向主要通过梁的布置来传递所受的力，由4根肋、2根梁、2个接头和蒙皮组成，同样采用δ=1.0mm钣金件，其中第1肋和第4肋为端肋，弯边宽度为20mm。翼根弦长为 265mm，翼梢弦长为265mm。垂直安定面是与蒙皮铆接的双梁式结构。

方向舵也为梁肋式蒙皮结构。同垂直安定面一样，横向主要通过肋的布置来传递所受的力，纵向主要通过梁的布置来传递所受的力，由 6 根肋、2 根梁、1 根后缘缘条及蒙皮组成，是与蒙皮铆接的双梁式结构。方向舵有两个挂点接头与垂直安定面后梁上的两个挂点接头对接。

3 蒙皮结构

为满足表面气动力的要求并尽可能的减轻重量，蒙皮厚度为 1.0mm。

4 尾翼结构的传力路线分析

水平安定面为梯形翼面，展向气动力均布，蒙皮的气动载荷传至翼肋、翼肋将局部载荷传至翼梁，翼梁将其传至两端接头，接头与机身相对接。

升降舵面也为梯形，展向气动力均布，蒙皮的气动载荷传至翼肋，翼肋将局部载荷传至单梁，由单梁上的支点接头传至水平安定面的支点接头。

翼肋传给腹板的载荷分别以剪流的形式加到梁腹板上，梁腹板以平板受剪形式平衡，并将它们向根部传递，最后在根部由水平安定面与机身对接接头提供支反力平衡。

垂直安定面和水平安定面受力传力路线基本相同。

5 翼肋腹板开口计算

选取水平安定面左3翼肋为例，翼肋材料为2B04，δ=10mm，b=86mm，按保守的四边简支边界条件进行计算，翼肋失稳剪应力为：

τE=Kπ2E[]12（1-μ2）（δ[]b）2=604×π2×67700[]12（1-0332）（10[]86）2

=50.98MPa

在两孔之间的腹板处：

τS=q[]t（b[]b-D）

在有孔处的腹板的净垂直截面处

τS=q[]t（h[]h-D）

其中，t为腹板厚度，这里的t=1.0mm，剪流q=16N/mm，算得：

在两孔之间的腹板处：

τS=q[]t（h[]h-D）=2524MPa<τE

在有孔处腹板的净垂直截面处：

小孔处 τS=q[]t（h[]h-D）=23.59MPa<τE

大孔处 τS=q[]t（h[]h-D）=3977Mpa<τE

所以，翼肋开口处满足剪切弹性失稳要求。

6 小结

基于CATIA设计了飞机尾翼，通过分析尾翼的承力系统、结构布局和传力路线，运用工程算法以水平安定面翼肋为例进行了腹板开口剪切弹性计算，对飞机结构设计有着重要意义。

参考文献：

[1]杨卫平.飞机结构有限元建模指南.航空工业出版社，2013，05.

[2]冯元生.飞机结构设计.国防工业出版社，1985.

[3]程宝渠.飞机制造协调准确度与容差分配.北京航空工业出版社，1985，5.

作者简介：霍雨佳（1994），山西朔州人，男，硕士，研究方向：飞机设计与制造。