仿生机翼设计相关问题探究

　　引言

　　对于飞机设计师而言， 结构减重是一个永恒的追求目标， 因为越轻的结构重量意味着更大的航程和更低的油耗， 当然前提是必须保证飞机的适航性。

　　机翼承受自重和气动力， 由蒙皮、 翼梁、 墙和翼肋通过接头传递给机身， 翼梁主要承受弯矩、 墙、 翼肋主要承受扭矩。 为了提高飞机的升阻比， 就需要研究机翼的轻量化结构布局型式。 仿生学为这一课题提供了新的思路。

　　1 仿生机翼的设计方法

　　众所周知， 物竞天择， 适者生存是大自然的基本法则。 经过数百万年的进化， 无论鱼骨的形状， 鸟羽毛的自然走向， 还是树叶的叶脉分布， 均是适应外界环境的结果。

　　从图 1 可见， 鱼骨的分布显示了鱼在水中游动时的鱼骨架的传力路径； 图 1 也可见， 树叶的叶脉走向显示了树叶在风雨吹淋中的传力路径。

　　这些自然界中的“生物骨架”， 设计之巧妙，为工程师们提供了源源不断的设计灵感。岑海堂等参考竹干的细观特征， 模仿设计了仿竹翼身结合框， 结构效能得到明显改善。 侯宇等通过对鸟类飞行参数的统计分析， 拟合出扑翼飞行的仿生学公式， 设计并制作了仿生扑翼飞行器。

　　本文将利用鱼骨， 叶脉和鸟羽毛所具有相似的形状与分布这一特点， 开展基于仿生理论的机翼结构布局设计。
　　
　　2 仿生机翼的设计要求

　　从图 1 中， 可见叶脉最主要结构特征是倾斜、 交错、 分叉， 并且尺寸沿轴线逐渐减小。 叶脉沿中肋交错分布， 适应不同部位应力分布特点。 文献[4]中指出中肋两侧的一阶叶脉， 一般相对中肋倾斜 30°～50°。 本文设定翼肋倾斜 45°， 让翼肋不再仅仅维形和承受扭矩， 而 且还要承受一定弯矩。 针对大展弦比机翼受载情况， 本文提出以下设计要求： 机翼展弦比 A>6， 本文定义 A=8， 其 中弦长 C =1000mm， 半 展长 b =8000mm； 翼 载荷W/S=6000Pa； 翼 型自选 。 本文采用 DF101 翼 型 ； 材料自选。 本文采用铝合金， 其弹性模量 70Gpa， 泊松比0.3， 密度 2700kg/m3。【图1.略】

　　强度约束满足相应的强度指标， 位移约束满足翼尖挠度变形﹤0.1 倍的机翼半展长， 翼尖扭转角﹤2°。 因为本文机翼半展长为 8000mm,所以翼尖挠度变形<800mm。

　　3 仿生机翼的有限元建模

　　在 MSC.PATRAN 中建立有限元模型， 首先建立翼梁几何模型。 本文采用三梁式机翼， 前梁设在 x=70mm，中梁在 x=370mm 处， 后梁在 x=650mm 处， 且翼肋倾斜45°， 让翼肋同时承受扭矩和弯矩。【图2.略】
　　
　　4 定义材料属性和加载

　　在进行机翼结构有限元分析时， 需要对实际的复杂机翼结构进行合理的模型简化。 梁和翼肋是复杂的三维薄壁结构， 一般把梁和翼肋看成是由缘条和腹板组成，将缘条离散为杆元或梁元， 腹板离散为二维平面应力板元。 蒙皮离散为二维平面应力板元。 蒙皮、 梁和翼肋的腹板采用壳元模拟。 壳元包括 QUAD4 和 TRIA3， 其中TRIA3 单 元对结构形状适应性强 ， 但 QUAD4 单 元计算精度高。 本文采用 QUAD4 等参数元， 提高计算精度。

　　长桁、 梁和翼肋的缘条采用杆元或梁元来模拟。 杆元BAR 又 称为常截面弯曲梁单元 ， 梁元 BEAM 又 称为变截面弯曲梁单元。 从名字可以看出， 杆元 BAR 的截面形状比较固定， 是圆形平面， 其截面形状参数为截面面积； 梁元 BEAM 的截面形状较多， 其截面形状参数较复杂， 但能更好的反映实际的长桁、 梁和翼肋的缘条的截面形状。

　　本文选择 QUAD4 壳元模拟蒙皮、 梁和肋的腹板，采用杆元 BAR 模型梁和肋的缘条， 本文没有布置长桁，故没有模拟。 分别将 shangmengpi、 xiamengpi、 yiliang、yile 组 中 的 所 有 平 面 定 义 为 2D -shell 单 元 ， 厚 度 为5mm， 材料为铝合金， 将翼肋缘条和梁缘条分别定义为1D-BAR 单元， 面积 150mm2， 如表 1 所示。【表1】

　　
　　翼盒作为外翼结构中最主要的承力部件， 对整个机翼有着重要的影响。 翼盒前端连接固定前缘和前缘缝翼， 后端连接副翼襟翼和扰流板， 下端连接发动机吊挂和起落架 飞机运营 过 程 中 所有 工 作 情 况下的载 荷 都 是 会传递到翼盒上。因此 本 文 将 机翼 根 部 固 支 ，在机 翼 下 表 面加面载荷为 0.006Mpa。【图3.略】
　　
　　5 分析得到强度分析结果
　　
　　由图 4 可见翼尖最大位移 781mm<800mm， 满足机翼挠度约束。由图 5 可见， 机翼最大应力在翼根处， 且机翼最大应力 420MPa 小于材料的应力强度极限 425Mpa， 满足强度要求。由图 6 可见， 机翼的扭转角为 （17.3mm+16.2mm）/1000mm=0.0335rad=1.83°<2°， 满足机翼扭转角度要求.【图4-6.略】
　　
　　6 结束语
　　
　　本文将自然界中的生物骨架特征引入到机翼结构布局设计中， 将翼肋斜置 45°， 让翼肋不仅仅承受扭矩，也与翼梁一起承受弯矩。

　　植物叶片结构与大展弦比机翼在受力特性、 约束条件、 承力品质几方面具有相似性。 这种翼肋的适当倾斜对飞机刚度， 强度有利。

　　本文针对大展弦比机翼设计要求， 模仿鱼骨， 树叶， 羽毛等生物结构， 对机翼结构布局进行了仿生设计， 并通过在 MSC.PATRAN 中建立有限元模型， 验证了该机翼挠度， 强度， 扭转角都满足了设计要求。

　　参考文献：

　　[1] 邓扬晨，陈华.基于仿生的大展弦比直机翼结构布局形式研究[J].航空计算技术，2007，2.
　　[2] 岑海堂，陈五一，喻懋林 ，等.翼身结合框结构仿生设计[J].北 京航空航天大学学报，2005，1.
　　[3] 张明伟，方宗德，周凯.微扑翼飞行器的仿生结构研究[J].机床与液压，2007，6.