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《sw笨笨_計(jì)算機(jī)輔助模型飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、計(jì)算機(jī)輔助模型飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作者：楊炯（SW笨笨）單位：北航無(wú)人駕駛飛行器設(shè)計(jì)研究所摘要：本文以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)校驗(yàn)（FEA）靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析（StaticMechanicalAnalyse）為工具，對(duì)常規(guī)布局模型飛機(jī)的幾種常用機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗彎、變形、應(yīng)變分析，以淺顯的語(yǔ)言討論各部分結(jié)構(gòu)在受力情況下的作用，并得出機(jī)翼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)推薦方案。關(guān)鍵詞：CAD、FEA、靜態(tài)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、翼型、翼肋、翼梁、副板、蒙皮、載荷、設(shè)計(jì)優(yōu)化、應(yīng)力、形變、載荷分布前言隨著模型運(yùn)動(dòng)在中國(guó)的普及，航模飛機(jī)的設(shè)
2、計(jì)、分析也在不斷發(fā)展。但是國(guó)內(nèi)的航模設(shè)計(jì)、制作過(guò)程長(zhǎng)期處于經(jīng)驗(yàn)加手工計(jì)算的階段。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，也使愛(ài)好者很難對(duì)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(jì)算機(jī)輔助分析為工具，以圖形化的方式和淺顯的語(yǔ)言對(duì)飛機(jī)機(jī)翼的典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)討論。另外模型飛機(jī)作為一種小型飛行器，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是從大型飛機(jī)精簡(jiǎn)而來(lái)，而與中小型無(wú)人機(jī)非常類(lèi)似，有的甚至可以直接作為小型無(wú)人機(jī)平臺(tái)使用。所以對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的分析，對(duì)小型無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)有著重要的參考價(jià)值。設(shè)計(jì)校驗(yàn)分析（FEA）是目前計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE）領(lǐng)域的一個(gè)新
3、興分支。從上個(gè)世紀(jì)八九十年代開(kāi)始發(fā)展，并以非常快的速度在設(shè)計(jì)行業(yè)內(nèi)普及開(kāi)來(lái)。設(shè)計(jì)校驗(yàn)分析與復(fù)雜的工程分析有很大的不同。它主要著眼于產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)其應(yīng)力、形變、熱傳導(dǎo)等等有一個(gè)定型的了解，然后再改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。分析過(guò)程中對(duì)復(fù)雜的有限元理論不做探討，而是用最簡(jiǎn)單的Mesh形狀，以最快的速度對(duì)幾何形狀進(jìn)行全自動(dòng)的分析，以加快優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。軟件在使用上也比工程分析軟件來(lái)的容易。目前主要的CAD軟件都自帶此類(lèi)結(jié)構(gòu)分析模塊，比如CATIA、Solidworks、UG等，不過(guò)功能比較簡(jiǎn)單。常用的獨(dú)立軟件主要有COSMOS系
4、列和AnsysDesignSpace等，其主要特點(diǎn)是直接嵌入CAD軟件，使用、數(shù)據(jù)交換都非常簡(jiǎn)單。1常見(jiàn)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)及介紹。模型飛機(jī)的機(jī)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(jiàn)下圖。本文并不對(duì)副翼、襟翼等流體力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論，所以不算在內(nèi)。由于模型飛機(jī)載荷小，而且大部分作為娛樂(lè)、競(jìng)技使用。所以這些結(jié)構(gòu)并不是在每一架飛機(jī)上都有必要存在，依實(shí)際情況比如重量、速度甚至制作者的個(gè)人愛(ài)好而有所不同。下面選取幾種常見(jiàn)的模型飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)作為對(duì)比分析的物理模型。名稱(chēng)說(shuō)明圖示名稱(chēng)說(shuō)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?jiǎn)胃卑逯髁荷嫌袉蝹?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?jiǎn)蝹?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(jī)翼結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元分析2.1分析條件的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)校驗(yàn)分析地目的是以高效率得到一個(gè)具有普遍意義的結(jié)果，而不是相對(duì)于某一項(xiàng)工程所作的工程分析。所以，進(jìn)行分析簡(jiǎn)化就很重要了。進(jìn)行幾何拓?fù)涞暮?jiǎn)化可以有減少軟件劃分網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，并成倍減少幾何計(jì)算量。簡(jiǎn)化受力情況可以減少各種力的偶合，加快
6、力學(xué)分析速度。2.1.1受力條件的簡(jiǎn)化一架普通飛機(jī)在定常流下勻速直線(xiàn)飛行時(shí)機(jī)翼所受氣流壓強(qiáng)如下圖所示：由圖可見(jiàn)，機(jī)翼受壓強(qiáng)基本與弦長(zhǎng)成正比，翼尖由于氣流比較復(fù)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(jiǎn)化為一均勻載荷加載于機(jī)翼下表面。而機(jī)翼所受其他力由于所占比例較小，忽略不計(jì)，比如一般阻力是升力的1/30。這也是機(jī)翼結(jié)構(gòu)分析時(shí)的通用做法。飛機(jī)勻速水平飛行時(shí)，機(jī)翼升力等于飛機(jī)重力。由于本分析中機(jī)翼翼展選取模型常用的1200mm，而這種翼展的飛機(jī)加載荷一般在3Kg左右簡(jiǎn)化結(jié)果：?jiǎn)芜?/p>
7、機(jī)翼下表面加均勻載荷1.5Kgf。2.1.2飛機(jī)幾何形狀的簡(jiǎn)化飛機(jī)的翼型有平凸、雙凸、對(duì)稱(chēng)、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(gè)普通的雙凸翼型。而翼型本身是一個(gè)很復(fù)雜的曲線(xiàn)，進(jìn)行三維建模后會(huì)形成復(fù)雜的曲面形狀，大大加重分析軟件的負(fù)擔(dān)。因?yàn)楸痉治鲋叟c結(jié)構(gòu)，與流體特性無(wú)關(guān)，所以使用5段圓弧來(lái)組成相似的翼型形狀，如下圖：翼型的弦長(zhǎng)200mm，厚度30mm（15%），最厚點(diǎn)在70mm處即35%，這是模型制作中最常用的翼型參數(shù)。機(jī)翼最常用的形狀是梯形機(jī)翼，但是其力學(xué)情況與矩形機(jī)翼差別不大。所以使用矩形機(jī)
8、翼來(lái)進(jìn)行分析。2.1.3材料的選取模型飛機(jī)一般使用木材作為原料制作，少量也使用復(fù)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(guān)系不大，采用均勻的相近參數(shù)材質(zhì)進(jìn)行分析。下圖是分析中應(yīng)用的材料參數(shù)表：各種結(jié)構(gòu)機(jī)翼重量表：2.2形變分析結(jié)
