基于仿生学理论的机翼结构布局设计.pdf

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1、第27W篇I3期机电产品开笈与钏新Vot．27，No．3呈鱼!兰!曼旦里!!!!竺竺!竺苎!竺!!生!!!竺竺!兰!!竺兰!竺望!型!坚!!竺塑型：星里!!文章编号：1002确73(2014)03-012-03基于仿生学理论的机翼结构布局设计陈志超1，詹家礼2，周斌1，孙鹏1(1．中国民用航空飞行学院航空工程学院，四川广汉618307；2．桂林航天工业学院机械工程系，广西桂林541004)摘要：探讨了鱼骨，树叶，羽毛的生物骨架，借助仿生学理论，对大展弦比机翼进行了结构布局设计。通过有限元模型，分别对机翼挠度，强度，扭转角进行校核，证明了仿生机翼是满足设计

2、要求的。。关键词：生物骨架；仿生学；大展弦比；结构布局中图分类号：V224+．3文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1002-6673．2014．03．005WingStructuralLayoutDesignBasedonBionicsTheoryCHENZhi—Cha01，ZHAN肛膨，ZHOUBinl，SUNPe，讨(1．AviationEngineeringImtimte，CivilAviationFlightUniversityofChina，GuanghallSichuan618307，China；2．Departmentof

3、MechanicalEngineering,GinlinUniversityofAerospaceTechnology，GuilinGuangxi541004，C}lina)Abstract：nepaperdiscussedthebiologicalskeletonofthefishbone，leaves，feathers，usingbionicstheory，thestructurallayoutofhighaspectratiowingWasdesigned．Bythefiniteelementmodel，thedeflection，strength

4、，torsionangleofwingfleechecked，thebionicwingWasprovedtomeetthedesignrequirements．Keywords：biologicalskeleton；bionics；l'tighaspectratio；structurallayout0引言对于飞机设计师而言。结构减重是一个永恒的追求目标，因为越轻的结构重量意味着更大的航程和更低的油耗．当然前提是必须保证飞机的适航性。机翼承受自重和气动力，由蒙皮、翼梁、墙和翼肋通过接头传递给机身，翼梁主要承受弯矩、墙、翼肋主要承受扭矩。为了提高飞机的升阻

5、比，就需要研究机翼的轻量化结构布局型式。仿生学为这一课题提供了新的思路。1仿生机翼的设计方法众所周知，物竞天择，适者生存是大自然的基本法则。经过数百万年的进化，无论鱼骨的形状，鸟羽毛的自然走向。还是树叶的叶脉分布，均是适应外界环境的结果[1】o从图1可见。鱼骨的分布显示了鱼在水中游动时的鱼骨架的传力路径；图1也可见，树叶的叶脉走向显示修稿日期：2014—05—06作者简介：陈志超(1985一)，男，四川南充人，硕士，助教，从事飞机结构设计与维修方面的研究。12了树叶在风雨吹淋中的传力路径。这些自然界中的“生物骨架”，设计之巧妙，为工程师们提供了源源不断的

6、设计灵感。岑海堂等121参考竹干的细观特征，模仿设计了仿竹翼身结合框，结构效能得到明显改善。侯宇等Pl通过对鸟类飞行参数的统计分析。拟合出扑翼飞一图1鱼骨分布与树叶叶脉走向Fig．1Distributionoffishbonesandveinsofleaves行的仿生学公式．设计并制作了仿生扑翼飞行器。本文将利用鱼骨．叶脉和鸟羽毛所具有相似的形状与分布这一特点，开展基于仿生理论的机翼结构布局设计。2仿生机翼的设计要求从图1中，可见叶脉最主要结构特征是倾斜、交错、分叉，并且尺寸沿轴线逐渐减小。叶脉沿中肋交错分布，适应不同部位应力分布特点。文献[4]中指出中

7、肋两侧的一阶叶脉．一般相对中肋倾斜300～500。本文设定翼肋倾斜450．让翼肋不再仅仅维形和承受扭矩，而·开发与创新·且还要承受一定弯矩。针对大展弦比机翼受载情况，本文提出以下设计要求：机翼展弦比A>6。本文定义A=8。其中弦长C=1000mm。半展长b=8000mm；翼载荷W／S=6000Pa；翼型自选。本文采用DFl01翼型；材料自选。本文采用铝合金，其弹性模量70Gpa，泊松比0．3。密度2700kg／m3。强度约束满足相应的强度指标，位移约束满足翼尖挠度变形<0．1倍的机翼半展长。翼尖扭转角<20。因为本文机翼半展长为8000mm,所以翼尖挠度

8、变形<800ram。3仿生机翼的有限元建模在MSC．PATRAN中建立有限元模型