机翼弹性比例模型结构拓扑优化设计

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2、量的实验In。这是因为，大型飞机结构的全机风洞实验通常需要耗费大量人力物力，所以往往不能进行一比一的真实模型实验。风洞实验是指在风洞中安置飞行器或其部件的结构模型，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，研究气流流动与模型的相互作用，是鉴定飞行器气动性能和校准其他实验结果的最终手段团(如图1．1)。通过风洞实验，可以测量作用于飞行器模型的气动载荷，如升力、阻力、表面压力分布等，从而确定飞行器的飞行性能、载荷和强度以及布局选型等至关重要的设计与性能参数，其结果的准确性将直接影响到飞行器研制

3、的进程。风洞实验的本质为相似理论基础上测定气动载荷作用下结构响应的物理模型试验【3】。相似理论指出：模型实验的可靠性依赖于模型的相似程度。此相似是指在实验条件下，用以表述模型和原结构所发生现象的各个变量，在时间上相对应的各瞬间、在空间中相对应的各点均存在相似比。传统的飞机风洞实验模型基本上是对原飞机结构按照一定比例缩小得到，仅仅实现了与飞机结构的外形相似，在结构弹性等方面相差很远。这样的比例模型在风洞中表现为刚性体，无法准确模拟设计对象的气动响应特性。大量实践证明，仅具有刚性特征相似的比例模型更难

4、以准确模拟出飞行过程中的气动载荷对飞行器结构的作用机理。随着飞机飞行速度的提高，这些误差严重影响了设计结果，从而不得不在飞机设计过程中反复测试并修改设计参数，由此带来的开发周期和成本都是难以接受的。图1．1飞机比例模型Fig．1．1Airplanescalemodel目前，美、俄、欧盟等的先进飞机研制均采用弹性结构相似比例模型进行风洞模型实验[4-o"1。据公开资料显示，波音、空中客车两大飞机制造公司拥有先进的飞机比例模机翼弹性比例模型结构拓扑优化设计型设计和制造技术，能够为飞机设计提供准确的气动

5、特性参考，可以大大缩短飞机研制周期，如大型飞机的设计，在上世纪70年代，风洞实验的时数一般在4万小时以上，而波音7E7的设计采用先进的比例模型设计方法，并结合气动分析，仅进行了15000小时的风洞实验，实验时数和成本降低60％以上。另据有关资料，俄罗斯已经在上世纪80年代成功设计和制造出一系列不同型号飞机的弹性结构相似比例模型，有力推动了其大型运输机和先进歼击机的研制工作。然而，由于飞机比例模型设计蕴含巨大的商业利益和浓厚的军事背景，几乎没有任何公开的飞机弹性结构相似比例模型设计与制造方面的技术资

6、料。目前，我国仍主要沿用传统的经验式的风洞比例模型设计方法【7】：首先是对主要依靠工程经验设计出的原结构，在几何外形上进行一定比例的缩比，实现结构形状上的相似；其次制造由金属作骨架、用轻木或塑料作填料的金属梁架模型，如今复合材料在模型结构制造中正得到广泛的应用，来实现飞机各部件弯曲和扭转刚度的弹性相似；然后在风洞中进行吹风试验，得到此模型结构的性能参数，对比理想的性能参数计算值，修改模型结构，再进行风洞试验，反复修改，直至达到理想的状态(图1．2)。这种方法的设计过程周期长，成本高，对设计人员的经

7、验要求高，最重要的是其初始结构布局方案准确性差，对后续的工作产生很大的影响。因此，改进机翼比例模型结构设计方法具有重要的意义。图1．2传统机翼弹性比例模型设计方法Fig．1．2Traditionalwingscalemodeldesignmeltlod一2一大连理工大学硕士学位论文本课题利用新兴的拓扑优化设计方法对机翼静弹性风洞测压实验的弹性比例模型结构设计进行了理论上的探索，提供了一种机翼弹性比例模型结构设计方法。理想的具有弹性比例相似的机翼模型结构在风洞中受到空气气流面载荷作用，将会产生相应的

8、弹性变形。记空气气流面载荷为P。在机翼模型上选出表示结构性能特征的一定数量的点N，记这些点的挠度位移为Dl。F。和Dl对理想的机翼风洞比例模型结构有一个对应关系，记为f1。对确定的机翼气动外形，可用在风洞中直接测出机翼模型上的表面压力分布Fa。Dl反应了机翼的性能，工程设计人员根据实际情况可以计算出需要的D1值。根据Fl和D1，利用拓扑优化技术就能反演设计出具有弹性比例相似的机翼模型结构。但是如果直接在拓扑优化模型上施加面载荷，首先需要测出面载荷，工作量大，在实际中不易操作实现；其