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仿生机翼设计相关问题探究

来源:学术堂 作者:韩老师
发布于:2014-08-19 共2103字
论文摘要

  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】
论文摘要
  
  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.

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