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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 运算机帮助模型飞机机翼结构优化设计作者：杨炯 SW笨笨）单位：北航无人驾驶飞行器设计争论所摘 要 ： 本 文 以 计 算 机 辅 助 设 计 CAD） 和 计 算 机 辅 助 设 计 校 验 FEA） 静 态 结 构 分 析Static Mechanical Analyse）为工具,对常规布局模型飞机的几种常用机翼结构进行抗弯、变形、应变分析,以浅显的语言争论各部分结构在受力情形下的作用,并得 出机翼结构的优化设计举荐方案；关键词： CAD、 FEA、静态结构力学分析、翼型、翼肋、翼梁、副板、蒙皮、载荷、设计 优化、应力、形变、载荷分布前言随着
2、模型运动在中国的普及,航模飞机的设计、分析也在不断进展；但是 国内的航模设计、制作过程长期处于体会加手工运算的阶段；由于飞机结构的 复杂性,也使爱好者很难对其各部分结构的受力情形、变形情形有直观的了解；本文就以运算机帮助分析为工具,以图形化的方式和浅显的语言对飞机机 翼的典型结构进行设计争论；另外模型飞机作为一种小型飞行器,其结构设计是从大型飞机精简而来,而与中小型无人机特别类似,有的甚至可以直接作为小型无人机平台使用；所 以对其结构进行设计优化的分析,对小型无人机的设计有着重要的参考价值；设计校验分析 FEA）是目前运算机帮助分析CAE）领域的一个新兴分支；从上个世纪八九十岁月开头进展,并以
3、特别快的速度在设计行业内普及开来；设计校验分析与复杂的工程分析有很大的不同；它主要着眼于产品设计优化,对其应力、形变、热传导等等有一个定型的明白,然后再改进产品的设计；分析过程中对复杂的有限元理论不做探讨,而是用最简洁的Mesh外形,以最快的速度对几何外形进行全自动的分析,以加快优化设计的效率；软件在使用上也比工程分析软件来的简洁；目前主要的CAD软件都自带此类结构分析模块,比如 CATIA、Solidworks 、UG 等,不过功能比较简洁；常用的独立软件主要有 COSMOS系列和 Ansys DesignSpace 等,其主要特点是直接嵌入 CAD软件,使用、数据交换都特别简洁；1 常见的
4、机翼结构及介绍；模型飞机的机翼内部结构主要由翼肋、翼梁、前缘、后缘、副板、蒙皮等 组成,见下图；本文并不对副翼、襟翼等流体力学结构进行争论,所以不算在 内；1 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 由于模型飞机载荷小,而且大部分作为消遣、竞技使用；所以这些结构并 不是在每一架飞机上都有必要存在,依实际情形比如重量、速度甚至制作者的 个人爱好而有所不同；下面选取几种常见的模型飞机机翼结构作为对比分析的 物理模型；名称说明图示名称说明图示单梁只有翼梁双梁有主辅双翼梁除必要的翼肋、前后缘外双梁单副板 主梁上有单侧副
5、板双梁前双副板 主梁上两侧有副板2 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 副板双梁前后单副板主副梁上都有单侧副板双梁前双副板后但副板 主梁双侧副板,副梁单侧全蒙板 部蒙板 前蒙板 机翼结构具有全部副板,外侧全 部蒙板；这是最常用的 具有全部副板,外侧前2 结构力学有限元分析2.1 分析条件的简化设计校验分析地目的是以高效率得到一个具有普遍意义的结果,而不是相对于某一项工程所作的工程分析；所以,进行分析简化就很重要了；进行几何拓扑的简化可以有削减软件划分网络的复杂性,并成倍削减几何运算量；简化受力情形可以削减各
6、种力的偶合,加快力学分析速度；2.1.1 受力条件的简化一架一般飞机在定常流下匀速直线飞行时机翼所受气流压强如下图所示：由图可见,机翼受压强基本与弦长成正比,翼尖由于气流比较复杂,而有所不同,但是本分析要得到普遍的结构分析结论,所以忽视局部特点,而将升3 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 力简化为一匀称载荷加载于机翼下表面；而机翼所受其他力由于所占比例较小,忽视不计,比如一般阻力是升力的 1/30；这也是机翼结构分析时的通用做法；飞机匀速水平飞行时,机翼升力等于飞机重力；由于本分析中机翼翼展选 取模型常用
7、的 1200mm,而这种翼展的飞机加载荷一般在 3Kg左右 1.5Kgf；简化结果：单边机翼下表面加匀称载荷2.1.2 飞机几何外形的简化飞机的翼型有平凸、双凸、对称、凹凸等等,而最具代表和常用的外形是 双凸翼型；下图是一个一般的双凸翼型；而翼型本身是一个很复杂的曲线,进行三维建模后会形成复杂的曲面外形,大大加重分析软件的负担；由于本分析着眼与结构,与流体特性无关,所以 使用 5段圆弧来组成相像的翼型外形,如下图：翼型的弦长 200mm,厚度 30mm15%）,最厚点在 70mm处即 35%,这是模 型制作中最常用的翼型参数；机翼最常用的外形是梯形机翼,但是其力学情形与矩形机翼差别不大；所 以
8、使用矩形机翼来进行分析；2.1.3 材料的选取模型飞机一般使用木材作为原料制作,少量也使用复合材料；这些材料密 度、模量、都有所不同,甚至单块材料的不同部分参数也不相同；而且木材料 为各向异性材料,要得到其参数很不简洁；本分析的目的是分析结构不同部分 的受力、变形情形,所以结果与材料关系不大,采纳匀称的相近参数材质进行 分析；下图是分析中应用的材料参数表：4 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 各种结构机翼重量表：单梁050100231.85150200250300350127.24双梁135.89299.
9、1双梁单副板153.25双梁前双副板161.95双梁前后单副板164.93双梁前双副板后但副板173.63全蒙板前蒙板2.2 形变分析结果 形变量扩大 2 倍）等轴侧 侧视图单 梁5 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 双 梁双 梁 单副 板双梁 前双 副 板双 梁前 后 单 副板双 梁前 双副 板 后 单副 板6 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 全 蒙板前 蒙 板变形数据表 cm）：单梁012.38123451.1
10、583.952双梁双梁单副板双梁前双副板0.942双梁前后单副板1.142双梁前双副板后但副板0.803全蒙板0.209前蒙板0.3072.3 应力分析结果等轴侧7 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 单 梁双 梁双 梁 单 副 板8 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 双梁 前 双 副板双梁 前后 单 副 板双 梁前 双 副 板后 单副 板9 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 15 页精
11、选学习资料 - - - - - - - - - 全 蒙 板上 表 面全 蒙 板下 表 面前 蒙 板上 表 面10 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 前 蒙 板下 表 面最大应力表：单梁02040608010012014016057.87110.6149双梁双梁单副板双梁前双副板44.88双梁前后单副板51.21双梁前双副板后但副板40.86全蒙板11.71前蒙板15.372.4 对结果的分析单梁结构的机翼抗变型才能较差,而且由于结构的不匀称性,会使飞机在飞行中翼尖产生较大的扭曲；副梁的存在对掌握飞机机翼
12、变形和翼尖扭转有非常大的作用；但是单、双梁结构都会有很大的应力产生在翼根的梁上,而双梁结构的最大应力产生在比较薄弱的副梁上；所以单、双梁结构都是不合理的；与前两种结构相比,主梁上的单副板结构在重量分别增加 20%和13%的情况下,可以将最大应力削减2/3和1/2,变形量削减 3/4和1/2,而机翼扭转也有所削减,应当说副板在飞机结构中是必不行少的；从分析结果看,主梁双副板结 构的主要作用是减小应力在副板上的集中程度,就是对另一块副板进行加强；在副梁也加副板后,机翼的结构强度不但没有加强,翼尖反而显现了与前 几种结构相反方向的扭转,应力和变形都有所增加,这是特别不合理的分布情11 / 15 名师
13、归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 况；缘由可能是由于副梁太强,导致变形集中而引起结构受力分布情形发生不 匀称的变化结果；由此可见,结构不是越强越好,局部过强可能导致应力分布 的不合理；所以要使用副梁副板来加强机翼,就必需用双副板结构加强主梁,或者减小副梁副板的大小以弱化副梁强度,让应力分布合理化；全蒙板结构对机翼结构强度的作用是明显的,但是付出的重量代价也是明 显的；而模型飞机中最常见的前蒙板结构虽然可以比全蒙板结构重量减低 23% 1/2和1/3；可,但是从应力分布情形看并不合理,最大变形和最大应力分别增大 见常用
14、结构并不是很抱负；3 设计优化由以上的分析结论,抱负的机翼结构应当有以下特点：1）使用双梁结构,可以降低翼尖扭转；2）有比较合理的副板布置,翼梁前副板也只连续3个翼肋的长度,再进行燕尾形的过渡；进一步加强主梁的强度；副梁副板应当在外段适当减弱,以获 得较好的应力分布,所以保留半个机翼长；由于蒙板应力集中在几根邻近,在 翼根增加一个翼肋,来分散应力；应力 Kgf/cm2形变 dm单梁127.2414939.52双梁135.89110.623.81双梁单副板153.2557.8711.58双梁前双副板161.9544.889.42双梁前后单副板164.9351.2111.42双梁前双副板后但副板173.6340.868.03全蒙板299.111.712.09前蒙板231.8515.373.07举荐185.1313.32.81415 / 15 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 15 页