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1、計算機輔助模型飛機機翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計作者：楊炯（SW笨笨）單位：北航無人駕駛飛行器設計研究所摘要：本文以計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助設計校驗（FEA）靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析（StaticMechanicalAnalyse）為工具，對常規(guī)布局模型飛機的幾種常用機翼結(jié)構(gòu)進行抗彎、變形、應變分析，以淺顯的語言討論各部分結(jié)構(gòu)在受力情況下的作用，并得出機翼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計推薦方案。關鍵詞：CAD、FEA、靜態(tài)結(jié)構(gòu)力學分析、翼型、翼肋、翼梁、副板、蒙皮、載荷、設計優(yōu)化、應力、形變、載荷分布前言隨著模型運動在中國的普及，航模飛機的設
2、計、分析也在不斷發(fā)展。但是國內(nèi)的航模設計、制作過程長期處于經(jīng)驗加手工計算的階段。由于飛機結(jié)構(gòu)的復雜性，也使愛好者很難對其各部分結(jié)構(gòu)的受力情況、變形情況有直觀的了解。本文就以計算機輔助分析為工具，以圖形化的方式和淺顯的語言對飛機機翼的典型結(jié)構(gòu)進行設計討論。另外模型飛機作為一種小型飛行器，其結(jié)構(gòu)設計是從大型飛機精簡而來，而與中小型無人機非常類似，有的甚至可以直接作為小型無人機平臺使用。所以對其結(jié)構(gòu)進行設計優(yōu)化的分析，對小型無人機的設計有著重要的參考價值。設計校驗分析（FEA）是目前計算機輔助分析（CAE）領域的一個新
3、興分支。從上個世紀八九十年代開始發(fā)展，并以非?？斓乃俣仍谠O計行業(yè)內(nèi)普及開來。設計校驗分析與復雜的工程分析有很大的不同。它主要著眼于產(chǎn)品設計優(yōu)化，對其應力、形變、熱傳導等等有一個定型的了解，然后再改進產(chǎn)品的設計。分析過程中對復雜的有限元理論不做探討，而是用最簡單的Mesh形狀，以最快的速度對幾何形狀進行全自動的分析，以加快優(yōu)化設計的效率。軟件在使用上也比工程分析軟件來的容易。目前主要的CAD軟件都自帶此類結(jié)構(gòu)分析模塊，比如CATIA、Solidworks、UG等，不過功能比較簡單。常用的獨立軟件主要有COSMOS系
4、列和AnsysDesignSpace等，其主要特點是直接嵌入CAD軟件，使用、數(shù)據(jù)交換都非常簡單。1常見的機翼結(jié)構(gòu)及介紹。模型飛機的機翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由翼肋、翼梁、前緣、后緣、副板、蒙皮等組成，見下圖。本文并不對副翼、襟翼等流體力學結(jié)構(gòu)進行討論，所以不算在內(nèi)。由于模型飛機載荷小，而且大部分作為娛樂、競技使用。所以這些結(jié)構(gòu)并不是在每一架飛機上都有必要存在，依實際情況比如重量、速度甚至制作者的個人愛好而有所不同。下面選取幾種常見的模型飛機機翼結(jié)構(gòu)作為對比分析的物理模型。名稱說明圖示名稱說明圖示單梁除必要的翼肋、前后緣外
5、只有翼梁雙梁有主輔雙翼梁雙梁單副板主梁上有單側(cè)副板雙梁前雙副板主梁上兩側(cè)有副板雙梁前后單副板主副梁上都有單側(cè)副板雙梁前雙副板后但副板主梁雙側(cè)副板，副梁單側(cè)副板全蒙板具有全部副板，外側(cè)全部蒙板前蒙板具有全部副板，外側(cè)前部蒙板。這是最常用的機翼結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)力學有限元分析2.1分析條件的簡化設計校驗分析地目的是以高效率得到一個具有普遍意義的結(jié)果，而不是相對于某一項工程所作的工程分析。所以，進行分析簡化就很重要了。進行幾何拓撲的簡化可以有減少軟件劃分網(wǎng)絡的復雜性，并成倍減少幾何計算量。簡化受力情況可以減少各種力的偶合，加快
6、力學分析速度。2.1.1受力條件的簡化一架普通飛機在定常流下勻速直線飛行時機翼所受氣流壓強如下圖所示：由圖可見，機翼受壓強基本與弦長成正比，翼尖由于氣流比較復雜，而有所不同，但是本分析要得到普遍的結(jié)構(gòu)分析結(jié)論，所以忽略局部特征，而將升力簡化為一均勻載荷加載于機翼下表面。而機翼所受其他力由于所占比例較小，忽略不計，比如一般阻力是升力的1/30。這也是機翼結(jié)構(gòu)分析時的通用做法。飛機勻速水平飛行時，機翼升力等于飛機重力。由于本分析中機翼翼展選取模型常用的1200mm，而這種翼展的飛機加載荷一般在3Kg左右簡化結(jié)果：單邊
7、機翼下表面加均勻載荷1.5Kgf。2.1.2飛機幾何形狀的簡化飛機的翼型有平凸、雙凸、對稱、凹凸等等，而最具代表和常用的形狀是雙凸翼型。下圖是一個普通的雙凸翼型。而翼型本身是一個很復雜的曲線，進行三維建模后會形成復雜的曲面形狀，大大加重分析軟件的負擔。因為本分析著眼與結(jié)構(gòu)，與流體特性無關，所以使用5段圓弧來組成相似的翼型形狀，如下圖：翼型的弦長200mm，厚度30mm（15%），最厚點在70mm處即35%，這是模型制作中最常用的翼型參數(shù)。機翼最常用的形狀是梯形機翼，但是其力學情況與矩形機翼差別不大。所以使用矩形機
8、翼來進行分析。2.1.3材料的選取模型飛機一般使用木材作為原料制作，少量也使用復合材料。這些材料密度、模量、都有所不同，甚至單塊材料的不同部分參數(shù)也不相同。而且木材料為各向異性材料，要得到其參數(shù)很不容易。本分析的目的是分析結(jié)構(gòu)不同部分的受力、變形情況，所以結(jié)果與材料關系不大，采用均勻的相近參數(shù)材質(zhì)進行分析。下圖是分析中應用的材料參數(shù)表：各種結(jié)構(gòu)機翼重量表：2.2形變分析結(jié)
