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)

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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)動在中國的普及，航模飛機(jī)的設(shè)計(jì)、分析也在不斷發(fā)展。但是國內(nèi)的航模設(shè)計(jì)、制作過程長期處于經(jīng)驗(yàn)加手

2、工計(jì)算的階段。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)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(jì)算機(jī)輔助分析為工具，以圖形化的方式和淺顯的語言對飛機(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)精簡而來，而與中小型無人機(jī)非常類似，有的甚至可以直接作為小型無人機(jī)平臺使用。所以對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的分析，對小型無人機(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)域的一個新興分支。從上個世紀(jì)八九十年代開始發(fā)展，并以非常快的速度在設(shè)計(jì)行業(yè)內(nèi)普及開來。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)

3、品設(shè)計(jì)優(yōu)化，對其應(yīng)力、形變、熱傳導(dǎo)等等有一個定型的了解，然后再改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。分析過程中對復(fù)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(jìn)行全自動的分析，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(dú)立軟件主要有COSMOS系列和AnsysDesignSpace等，其主要特點(diǎn)是直接嵌入CAD軟件，使用、數(shù)據(jù)交換都非常簡單。1常見的機(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，見下圖

4、。本文并不對副翼、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、競技使用。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人愛好而有所不同。下面選取幾種常見的模型飛機(jī)機(jī)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(jī)翼結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元分析

5、2.1分析條件的簡化設(shè)計(jì)校驗(yàn)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(xiàng)工程所作的工程分析。所以，進(jìn)行分析簡化就很重要了。進(jìn)行幾何拓?fù)涞暮喕梢杂袦p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。簡化受力情況可以減少各種力的偶合，加快力學(xué)分析速度。2.1.1受力條件的簡化一架普通飛機(jī)在定常流下勻速直線飛行時(shí)機(jī)翼所受氣流壓強(qiáng)如下圖所示：由圖可見，機(jī)翼受壓強(qiáng)基本與弦長成正比，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

6、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左右簡化結(jié)果：單邊機(jī)翼下表面加均勻載荷1.5Kgf。2.1.2飛機(jī)幾何形狀的簡化飛機(jī)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(fù)雜的曲線，進(jìn)行三維建模后會形成復(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)，與流體特性無關(guān)，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(diǎn)在70m

7、m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)翼來進(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)