飞机机翼结构与材料的优化设计--洪家豪

《飞机机翼结构与材料的优化设计--洪家豪》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

毕业设计（论文）飞机机翼结构与材料的优化设计学院：专业：姓名：指导老师：航空学院飞行器制造工程洪家豪学号：职称：163701101409于相斌教授中国·珠海二○二○年五月北京理工大学珠海学院毕业设计 诚信承诺书本人郑重承诺：我所呈交的毕业论文《飞机机翼结构与材料的优化设计》是在于相斌导师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，论文使用的数据真实可靠。承诺人签名日期：年月日 飞机机翼结构与材料的优化设计摘要飞机是当今时代最重要的航空工具之一，其还有很大的发展空间。同时飞机是一个高新技术的结晶体，推动飞机发展，是增强国家综合国力的体现，而目前制约制约飞机发展的因素有很多，其中结构设计和材料方面是重要的两个因素。如今重新研究一种新材料或者新结构是一项十分艰巨的任务，这往往需要大量成本和时间，所以我们考虑针对现在已有的机型，并对其进行一定程度的重新设计，从而达到优化的目的。本文为针对机翼结构和材料进行优化设计，通过参考部分机型如波音787以及A320-200来重新设计一种针对结构和材料改良优化的设计方案。关键词：复合材料结构设计机翼24 OptimizationDesignofAircraftWingStructureandMaterialABSTRACTAircraftisoneofthemostimportantaviationtoolsinthecontemporaryera,andthereisstillmuchroomfordevelopment.Atthesametime,theaircraftisacrystallinebodyofhighandnewtechnology,whichpromotesthedevelopmentoftheaircraftandisamanifestationofenhancingtheoverallnationalstrengthofthecountry.Atpresent,therearemanyfactorsthatrestrictthedevelopmentoftheaircraft,includingstructuraldesignandmaterialsaretwoimportantfactors.Nowadays,itisaverydifficulttasktore-examineanewmaterialornewstructure,whichoftenrequiresalotofcostandtime,soweconsidertargetingtheexistingmodelsandredesigningthemtoacertainextenttoachieveoptimizationthegoalof.  Thisarticleistooptimizethedesignofthewingstructureandmaterials.ByreferringtosomeaircrafttypessuchastheBoeing787andA320-200,weredesignadesignplanoptimizedfortheimprovementofstructureandmaterials.Keywords：compositematerialStructureDesignWing24 目录摘要1ABSTRACT2第一章绪论51.1论文研究的背景及意义51.1.1研究背景51.1.2研究意义61.3本章研究内容6第二章机翼材料选择82.1引言82.2关于复合材料机翼的基础理论82.2.1复合材料层合板的刚度92.2.2复合材料层合板的强度122.3选材132.3.1对某机型的机翼材料参考132.3.2翼梁选材142.3.3翼肋选材152.3.4蒙皮选材152.4本章小结16第三章机翼的结构设计16引言173.1机翼结构形式173.2传力分析173.3机翼的外形设计183.3.1机翼起飞重量参数拟定193.3.2关于翼尖小翼、翼型、后缘襟翼的选择193.4机翼结构设计203.4.1翼梁设计2024 3.4.2翼肋设计213.4.3蒙皮设计213.4.5桁条设计213.5本章小结22第四章总结与展望234.1本文小结234.2后期展望23参考文献：24谢辞2424 第一章绪论1.1论文研究的背景及意义1.1.1研究背景飞机作为现代主要的运输工具之一，一直都是先进技术的结合体，航空领域也一直是各领域先进技术争奇斗艳的舞台。经过一百多年的发展，飞机的种类也变得多种多样，目前世界上绝大部分飞机都由机身、机翼、尾翼、动力装置、起落装置、操纵系统这六大部分构成。这六大部分都有着其独特的功用。其中机翼通常分为两个翼面，对称布置在机身左右侧，其主要作用是为飞机提供升力，是飞机重要部件之一。机身上有部分部位（如副翼、减速板、升降副翼、前后缘增升装置、扰流片等常用的活动翼面）可以进行移动，而驾驶员可以控制这些部位从而达到改变飞机姿态和增加升力的目的。机翼除了提供升力还可以安装起落、油箱、武器发动机等。而且机翼的平面形状也是种类繁多，如三角翼、梯形翼、矩形翼、双翼机、三翼机、多翼机。现代飞机以单翼机为主，但历史不是一直以单翼机为主，历史也曾流行过双翼机，但后来逐渐被单翼机替代。机翼作为飞机主要乘力结构，会承受各种各样的高载荷，因此机翼得满足结构强度要求。而这个条件前提使得机翼的材料开始不断发展更新。飞机机翼材料到目前为止以及经历了三个时代，依次分别是木质飞机时代，全金属飞机时代以及塑料飞机时代。最早期的飞机由于不够先进，飞行速度低，所以不需要太先进的材料仅仅是木布结构即可，这样的成本也非常地低。随着时间推进，技术在不断发展，飞机性能开始不断提高，木布材料已经不可能满足需要，且因为木布容易燃烧和腐蚀，安全性太差。材料技术的不断发展，具有优良性能的航空材料铝合金诞生，于是就迎来了以铝合金飞机为代表的全金属飞机时代。20世纪70年代，出现了新一代的航空材料---复合材料并开始被应用在飞机，进入了复合材料飞机时代。刚开始复合材料主要用在承受力较小的构件上，而现在材料技术越来越发达，越来越多的构件由复合材料构成，也开始出现了全复合材料飞机。24 图1.1世界航空复合材料应用的增长情况1.1.2研究意义虽然现代飞机已经十分先进，但仍有许多可以提升的空间，本文将针对以下当下飞机存在的问题进行优化：重量问题：在飞行过程中飞机的重量基本是由机翼承担，越轻的重量意味着飞机性能的提高。重量一直是飞机主要问题之一。成本：本文主要研究民航客机，航空公司是以盈利为目的的公司，所以关于民航客机还需要从成本角度看。飞机是一个处于世界前沿，多科交汇的先进科技结合体，优化飞机不仅能降低成本，同时也能提高飞机强度使飞机更加地安全。而优化机翼可以提高飞机性能，对飞机的疲劳断裂性能也有非常大的影响。1.3本章研究内容本文利用网络以及书籍针对性的查询到文献资料24 以及需要用到的数据，在以往所学知识基础上，学习所搜集的资料并进行整合，充实自己的理论功底从而增加设计的可能性。在研究过程中若出现收集不到能解决疑问的资料时，需及时向导师询问。本文就飞机优化设计分为以下四个部分：第一部分：介绍本论文的研究意义及目的，提出飞机现在存在的问题。最后阐述本论文的研究方法。第二部分：首先对现在材料领域进行一些简单的介绍，并了解相关的部分基础理论，最后根据查阅大批文献提供的经验提出自己的选材方案。第三部分：设计并提出一套关于机翼外形和部分构件的优化方案，改进了部分构件的自身结构和其布局方法。第四部分：对文章内容的总结，并提出本文后期的展望。24 第一章机翼材料选择2.1引言材料一直是约束航空发展的重要因素之一，想要优化飞机，材料的选择非常重要。本章主要介绍关于航空材料的基本知识，然后进行针对民机机翼的材料选择。2.2关于复合材料机翼的基础理论复合材料是由两种及两种不同性质以上的材料合成一种全新的具有新特性的材料。合成的复合材料不仅仅保持了原有材料的部分特点还能出现原有材料所没有的新特性。复合材料还可以根据特定部件的需要进行特定的设计。应用复合材料可以同时拥有多种属性，而且复合材料比单一均质材料有着更多优越性，复合材料拥有强度高、刚度大、质量轻、耐高温、减振等一系列优点，在防腐、抗裂、防雷击等方面也表现出了显著的优越性。现在复合材料被越来越多应用在飞机上，从一开始只是应用在一小部分承力较小的构件上到现在最主要的受力部件如机翼、机身等也开始引用复合材料，例如最具代表性之一的波音787飞机是世界首架使用复合材料机身机翼的大型客机。复合材料虽然在上世纪70年才登上舞台，但是复合材料现在在航空领域正发挥着功不可没的作用。它也是将飞机推向更高层次的契机。机型首飞部件材料减重（%）占总重DC-1019761987方向舵垂直安定面碳/环氧T300/520826.820.2波音-7271980升降舵碳/环氧T300/520825.6波音-7371984平尾垂尾碳/环氧T300/520827.124.0L-101119821984副翼垂直安定面碳/环氧T300/E715碳/环氧T300/520826.327.9A-3201985垂直安定面、平尾、襟翼碳/环氧T300/913C22.015波音-7771994垂直安定面、副翼、扰流片、发动机舱等碳/韧性环氧T800H/3900-2尾翼减重680kg11A-330、3401989外翼、平尾、垂尾、襟翼、副翼等碳/韧性环氧HTA/637625.013福克-501985Aramid纤维、玻璃纤维、碳纤维824 外翼、襟翼、副翼、方向舵、背鳍、客舱地板、整流罩ATR-721988~1989外翼翼盒、方向舵、升降舵、整流罩、发动机吊机等T300/91422.6表1.12000年前复合材料在部分民机上的应用2.2.1复合材料层合板的刚度复合材料层合板是可以由不同纤维方向的相同材料属性的单层板构成的，也可以是由不同材料属性的单层板构成，俩者在厚度方面都呈现出非均匀性。复合层压板可以由在不同纤维方向上具有相同材料特性的单层板组成，而具有不同材料属性的单层板也可以构成层合板，且俩者都具有非均匀性（在厚度方面）。而这会使得面内应力引起弯曲变形，弯曲引力引起面内变形，这使得层合板的力学分析变得复杂，但工程中常用的正交铺层或对称层合板，其拉弯耦合为零，因此只有在一定程度下才会出现面内耦合。1.经典层合板的基本假设经典层合板理论（CompositeLaminateTheory）一般由以下三列假设合并统称：变形连续性假设；直线法假设；平面应力状态假设。本文采用直线法假设。一般层合板在整体上被认作非均质各向异性薄板。因为一般单层板厚度为0.1mm量级，所以层合板虽然是多个单层板合成，但层合板总厚度的尺寸与其他方向比起来小很多，挠度也就远小于厚度在研究层合板的弹性特征时，经典层合理论可作以下假设（1）平行于中面的诸截面上的正应力与其他应力相比非常小，所以可以忽略。（2）各层处于平面应力状态。（3）变形前垂直于层板中面直线段，变形后仍为垂直变形后的直线段，并且长度不变。（4）各单层黏合牢固，不会产生滑移，因此变形在层间是连续的2.层合板的应力-应变关系图1.3表示假设了由N层（任意层）组成的薄层压板。图2.1层合板示意图取z垂直于板面，oxy坐标面与中面重合。则板中的任意一点的位移变量为24 (1-1)根据经典层合板基本假设可得（1-2）将（1-2）对z积分可得（1-3）式中u0、v0、w0表示中面的位移分量，同时也是坐标xy的函数，其中w成为挠度函数。代入到协调方程中得（1-4）式中（1-5）将（1-44）代入应力-应变关系式可得层合板中面的应变和曲率表达的第k层应力为（1-6）3.层合板的刚度对称层合板指的是无论是在材料上还是几何上都对称与中面的层合板，而工程中大多数层合板都是对称的，所以这里也主要针对对称层合板的特性进行分析。设对称层合板厚度为h，单个铺层的厚度为t，总共有2n铺层。受到面内应力并不发生弯曲和扭曲的耦合，因此第k层的应力列阵为24 （1-7）面内的平均应力为`σ（1-8）式中，`C为等效刚度矩阵，其表达式为（1-9）式中k=h，h为层合板总厚度，tk为第k层的厚度。当各铺层厚度相同时，式（1-9）可表示为（1-10）等效柔度矩阵`S*可以表示为（1-11）当层合板为单向板时，`S*ij=`Sij，即等效柔度系数就是单层板的柔度系数。对于对称层合板，中面的正则化柔度系数存在对称关系，即`S*12=`S*21,`S*16=`S*61以及`S*26=`S*62。这样就可以得到类似于铺层工程弹性常数的对称层合板工程等效弹性常数与等效柔度系数之间的关系式（1-12）2.2.2复合材料层合板的强度因为复合材料是多相复合体，复合材料层合板强度是复杂性极强的问题。最先出现破坏的是在最弱的单层，接着便开始往周围扩散直到整体破坏，是一个复杂的演变过程。强度指标和失效判据都可以预测材料破坏，本节主要讲解下强度的基础理论。24 1.单层板的强度层合板的基础单位是单层板，故想要研究层合板强度必先研究单层板强度。由于各向异性单层板基础强度性能有方向性，即沿纤维方向的拉伸强度可能要比横向拉伸高十几倍，所以复合材料在外力下，该材料的主轴方向上的强度不一定会刚刚好与主应变、主应力的方向一致。也正因如此各向同性材料的概念（关于主应力与主应变）并不适于复合材料。正交各向异性的单层板其强度在一定条件下可以通过实验解决（即当其只在主轴方向有单向应力）。而即使单层板承受单轴应力也不一定恰好作用于主轴方向，我们必须把其偏轴的应力转换到主轴上才可研究其强度。正交各向异性材料在主方向的剪应力不管是正负其强度相同，但此方向上的拉、压强度不同。但在偏轴方向的应力状态中，正、负剪会在纤维方向上产生相反应力。正剪要比负剪强度高得多，且对于正剪，纤维向有压缩应力而垂直于纤维向有拉伸应力，因此确定剪切的方向非常关键。对于复合材料强度估算需要引进五个强度指标：一、Xt-纵向拉伸强度二、Xc-纵向压缩强度三、Yt-基体拉伸强度四、Yc-基体压缩强度五、S-面内剪切强度复合材料的工程常数是上述五个基本强度和单层板的四个工程弹性常数E1、E2、G12、v12的统称。2.层合板强度层合板的强度估算是以单层板的强度特性为基础的。在外载荷作用下，破坏是由某一单层失效开始，接着其它层相继失效直到总体破坏，图1.4所示的就是这个过程。层合板的整个破坏过程就是一个单层到总体，存在最先破坏层失效载荷（FPF）和最终破坏的极限载荷（LPF）。图2.2层合板载荷-位移曲线24 层合板强度预估步骤如下：1.确定单层板的强度判据2.确定最先破坏层的失效载荷3.层合板刚度修正4.计算极限载荷1.3选材材料是制约飞机发展的重要因素之一，选择正确的材料，可以提高飞机性能和功能。本节将针对民航飞机来简易研究机翼一些主要结构进行选材。1.3.1对某机型的机翼材料参考从目前航空领域的发展来看，金属材料和复合材料是俩个重要的版块，但复合材料是现如今的重点突破对向，还有很大的提升空间，所以我们选材的方向也是以复合材料为主，金属材料为辅。所以本节想针对典型的复合材料客机机翼进行参考。本人经过考虑选择以波音787作为参考。因为波音787绝对能算的上复合材料飞机的代表之一。其复合材料用量超过了50%。这让得其重量大大减少，同时油耗降低、更加环保（例如排放物方面）以及起降更加安静。复合材料的耐腐蚀特点也使得飞机可以提高空气湿度10%-20%，使得机舱内有更好的舒适性。图1.5介绍了波音787机体结构材料质量占比图2.3波音787机体结构材料质量占比24 从图中可以看出其主要由碳纤维复合材料制成。碳纤维复合材料是现如今飞机常用的复合材料，它可以像布料一样裁剪，是一种力学性能优良的材料。可是从目前的发展状况来看，复合材料在现阶段还不能完全替代金属材料，因此还需权衡俩者，除了介绍复合材料的好处，也要了解其短处，并尝试用金属材料替换。首先是复合材材抗冲击性不好，缺乏塑性，受高冲击部位难以修理。复合材料同时很难判断是否受损，例如飞机蒙皮磕坏了，若是金属蒙皮则很容易发现表面不平整，可复合材料蒙皮则几乎无变化，所以现在使用复合材料的客机会在机体内安装大量传感器，来检测材料变化，可航空公司每年因此种损伤的成本就高达几十亿美元，并且都不能阻止灾难发生。就目前时代，飞机的中央承重结构以及发动机和起落架都必须使用金属，除了是裂痕难以发现同时还有其不耐高温的缺点。复合材料比起单一同质金属更难分析，因其内部的复杂性。不同的成分导致层合板各层方向不同，因为每个层次均是由各种不同纤维组成，其成分也会发生些许变化。就波音787来说虽然其算是一架打破传统敢于应用复合材料，一个具有重大意义的机型，但是其暴露的问题也十分多比如复合材料机身存在高孔隙率问题，其适航性也被大大影响，这让其不能成为完美的飞机。所以就参考波音787客机，需要权衡各部位实际情况进行选择。1.3.1翼梁选材翼梁是飞机的主要受力构件之一，其主要承受剪力Q和弯矩M。本文考虑的有两种方案：一是使用金属材料、二是复合材料。一、金属材料方案前梁：梁腹板与下缘条采用铝合金2000系列板材，该系列特点硬度较高，而其中一些加强件和梁上缘条采用7000系列，因其具有良好的耐磨性。后梁：整体采用铝合金2000系列二、复合材料方案前后梁均采用碳纤维预浸料，这是一种被广泛应用于航空领域的复合材料。对比分析：方案一采用金属材料则要选择金属结构，若是组合式其结构应力水平低，因零件数量多导致结构重量增加；而整体式虽然应力水平相比组合式较高且零件数量1也比较少，但其材料利用率低，这无疑会增加成本。而方案二采用复合材料，零件一体成型，结构简单，损伤容限特性良好，成本降低。所以经过对比，复合材料优势较大，固翼梁选择使用碳纤维预浸料。1.3.2翼肋选材翼肋主要维持机翼气动外形，对于需要承受集中载荷以及压缩载荷较大的翼肋不适用复合材料，且翼肋与上下壁板的配合不如金属翼肋协调，容易产生装配残余应力。参照A380早期翼肋采用复合材料，其出现了细微裂纹问题从而影响了适航性。复合材料翼肋还有以下缺陷:1.翼肋一般会通过采用纵横加筋来防止腹板在压缩载荷下发生弯曲，但这增加工艺复杂性24 1.现在的民用飞机大展弦比机翼翼肋数量非常多，翼肋与壁板和翼梁之间十分难以协调。因为复合材料翼肋制造不能保证质量，其公差难以满足标准，2.翼肋通常需要预留系统道路，这会造成料翼肋腹板开口纤维切断，纤维承载能力降低。综上所述，本文决定翼肋选择铝合金材料。1.3.1蒙皮选材传统机翼蒙皮通常使用铝合金制作，也有部分是由复合材料制作，但各自都有优缺点，因此需要谨慎考虑选择。选择GlARE层板作为蒙皮材料，这是一种由高强玻璃纤维预浸料和高强铝薄板交替铺放，层压而成的一种复合材料，是一种新型纤维金属层压板，兼具属以及复合材料的优点，在目前的航空领域，GLARE层板有着非常可观的应用潜力。选择其为蒙皮材料有以下优点：1.金属材料已经难以在减重和增寿的方面再进行突破，而玻璃纤维层压板虽解决这方面问题但其抗冲击性以及剩余强度性能较弱，影响飞机性能，如防撞鸟等。而GLARE可以兼顾俩种材料的优点。2.GLARE层板密度低，具有高静强度以及优异的疲劳阻抗和冲击阻抗、抗雷击、耐腐蚀、阻燃性能。3.易于生产、易于维修且成本较低。GLARE集多种优越性于一点，在未来的应用范围预计会越来越大，特别是针对民用飞机的先进复合材料。2.4本章小结本章主要介绍了关于复合材料机翼的一些基础理论知识并通过部分经典民用飞机机型使用的材料来考虑部分机翼结构选材。因本文要针对减重、成本进行优化，所以本文选择的材料大部分是现在技术成熟的材料，同时尽量选用复合材料已达到减重的效果。24 第一章机翼的结构设计引言我国随着经济的猛烈发展，交通运输系统正在不断壮大且日益完善。随着我国人民生活水平提高，飞机作为现代一流的交通工具，在公共交通中占据着越来越重要的位置。虽然如今我国已有一流机场和航空公司，航空业愈发发达，但十分可惜的是与欧美在此领域的差距依然十分大，我国一般称150座以上的客机为大客机，而国际航运体系这是称300座以上的客机为大客机，这是由各个国家的航空工业技术水平所决定的，从此可以看出我国航空领域还需努力追上欧美航空的技术水平。对于大型飞机的发展，这是该国工业科学技术的集中体现，这对于增强国家整体科学实力至关重要。C919客机是我国自主研究大型客机的重要代表，我国虽已具备了研究大飞机的基础，但研制时间已经晚了几十年。所以本文将先介绍关于机翼结构的形式以及传力分析的基础知识，然后针对150座以上的大飞机选取特定机型，参考其飞行指标参数，并对其进行一些修改，然后针对其结构进行设计，包括对翼梁、翼肋、蒙皮、桁条的设计。3.1机翼结构形式机翼结构形式取决于其承载特点，现代飞机基本可分为梁式、单块式、多墙式以及混合式。现代飞机一般采用的是复合材料与金属混合结构，因为机翼受载较大。要进行针24 对大客机机翼的结构设计，就要先决定其结构形式，这取决于我们希望大部分弯曲力矩由翼梁承受还是翼面蒙皮壁板来承受。综上所述四种结构形式都有各自的特点，我们需要根据本文要选择的机型和客观条件进行选择，混合式虽是较好的结构形式可以同时具备不同结构形式的特点，但本文研究主要客机机翼，无需达到歼击机的要求。当代大型客机对扭转刚度要求较高，因此大多会选择由翼面蒙皮壁板来承受大部分应力。本文针对四种结构形式和要设计的机翼类型思考选择梁式机翼结构。3.2传力分析机翼是由蒙皮以及结构骨架两大部分组成。蒙皮的主要作用是保持机翼外形和承载。蒙皮结构由平板、加筋板、夹层板等形式组成。蒙皮作为机翼主要构件之一，可将作用其上面的局部气动力传到结构骨架，并且在总体承载时，蒙皮还可以参与承受机翼的弯矩和扭矩。结构骨架由梁、墙、加强筋等纵向骨架和加强肋或普通翼肋等横向骨架组成。该结构将蒙皮传来的局部气动力化为翼面的总体载荷。翼面传递总体载荷的方式是：剪力Qn由翼梁或墙的腹板来传递；弯矩Mn由梁凸缘、筋条、通过产生正应力来传递；扭矩M2由蒙皮和梁（墙腹板）组成的单闭室或多闭室传递，在没有闭室的部位，由梁的参差弯矩来传递。普通翼肋起到维持翼型和对蒙皮加筋条提供支撑的作用的，同时将分布气动载荷变为剪力传给翼梁或墙，变为扭矩传给翼盒。加强肋的作用在于承受集中载荷和维持形状，由它将集中载荷变为剪力传给翼梁或墙，变为扭矩传给闭室。在翼根部位，加强肋可将翼盒扭矩变为1集中剪力传给接头或传力梁，实现扭矩的传递。3.3机翼的外形设计就目前国内航空运输产业来看，国内三大航空港之间的运输以及三大航空港与省会城市、二线城市之间的运输为最重要的部分，其中常用波音767、空客A330、波音737、空客A320等系列飞机作为运输工具。从以上特点来看以及在空客及波音公司针对未来航空业发展的预测报告中可得出大客机未来一定会在我国运输业扮演着十分重要的角色。所以本文选择参照空客A320-200客机（客舱2级布局），因其十分接近这个指标。本文将会根据空客A320的部分飞行参数并修改其中一部分参数，最后通过计算得到各参数拟定。注：一节（kt）=1海里/小时1海里=1.852千米翼展34.09米座位数（俩舱布局）150外形尺寸长度37.57米，翼展34.09米最大载重航程5700公里（即约3078海里）24 最大巡航速度0.82马赫数巡航速率0.78马赫数巡航高度11920米机翼面积122.6米2表3.1空客A320-200部分指标参数为方便计算，本文所需设计指标参数对以上部分参数进行修改：翼展34米设计巡航速度0.8Ma巡航高度11900米最大载重航程3000海里座位数150翼型：后掠翼机翼面积130米2为权衡气动力和重量，需要选择合适的展弦比，展弦比越大则结构重量越大，同时升力斜线率、最大升力系数增大，但可以减少升致阻力。，本文选择9.8展弦比，原因为参考了许多同种类的飞机而选择的数值。大部分后掠翼客机梯形比介于0.16-0.5，因为机翼后掠空气流向外侧，从而增大翼尖载荷。若机翼没有扭转或后掠，升力分布为椭圆形，诱导阻力是最小的。同时梯形比小可以减少机翼结构重量，所以本文要尽量减少梯形比，因为一般梯形比都大于2，故选择梯形比2。根弦6米，梢弦1.2米。已知展弦比和翼展和梢根比，计算四分之一弦线处后掠角可得后掠角11.26。3.3.1机翼起飞重量参数拟定根据上节最终确定的参数，需要进一步确定飞机的起飞重量，从而算出机翼面积。估算飞机重量依据飞机设计要求，首先需要估算飞机最大起飞重量，其包括飞机结构重量、人员重量、货物重量以及燃油重量等。Wmto=We+Wfuel+Wplc（3-1）其中Wmto代表飞机最大起飞重量，We为结构重量，Wfuel为燃油重量，Wplc为有效载荷，即乘客、空乘人员、机组成员、行李的重量。其中乘客及其行李以90kg的标准来估算，空乘人员数量由乘客数目间接决定，有关适航规范规定了空乘人员可以服务的最大乘客数目，一般航空公司都会在满足适航条件的情况下参考成本以及载客率。空乘人员平均服务乘客数如表3.2所示商务舱混合舱布局全经济舱国际航班162131国内航班202936表3.2空乘人员平均服务乘客数依据座位数和表3.1结合分析可得有5为空乘人员、另外还有两名机组成24 员。同时我们将货运载荷设为1000kg，通过计算可以得出有效载荷Wplc=150×90+5×90+2×90+1000=15130kg（3-2）飞机燃油比例Mfuel和航程近似关系为Wfuel=0.0048√R（3-3）其中R为航程，单位是海里。所以根据（3-3）可计算出Wfuel=0.0048√R=0.0048√3000=0.2629根据相关文献，此处取飞机的空重比Me=0.5，由此可以算出飞机的起飞重量为（3-4）3.3.2关于翼尖小翼、翼型、后缘襟翼的选择1.翼尖小翼翼尖小翼的效果：1.对翼梢处的漩涡进行遮挡2.翼梢小翼设计成有弯度，翼梢涡产生方向向前的升力从而减小总阻力下图表3.3为翼尖小翼实验结果阻力巡航状态，减少3.1%航程增加117海里，增加3.3%燃油可减少24000升表3.3为翼尖小翼实验结果如上表所示，采用翼尖小翼对燃油的消耗有一点的减少，符合本文优化的目的之一，故本文机翼采用翼尖小翼。2.翼型翼型的定义：平行于飞机对称面任意位置切一刀展现出来的机翼剖面作为翼型，翼型对飞行性能有直接的关系。客机作为亚音速飞机，其翼型通常采用圆头尖尾形，这种形状可提高本文在参考各种翼型后选择NACA23012，这是一种综合性好，厚度范围大的翼型，也是如今商务机最常用翼型之一。3.后缘襟翼襟翼可以增加机翼面积以升升力，同时改变机翼弯度，使机翼与风力的夹角变化，通过角度变化可以加速爬升或便于降落。本小节主要选择后缘襟翼。后缘襟翼有四种类型，本文选择单缝富勒襟翼，虽然开缝越多，可以获得更好的增升效果，例如三缝富勒襟翼可提高100%以上的升力系数，但是多开缝会导致不稳定气流，使得机翼噪声增大，本文所设定机翼已有130平方米，足够大的面积可以弥补损失的空气动力，故本文选择单缝富勒襟翼。24 3.4机翼结构设计机翼结构复杂分为很多构件，本节只研究主要乘力构件，并且这些构件均假设为薄壁结构，可应用壳单元模拟3.4.1翼梁设计翼梁一般由梁腹板和缘条组成。本文选择梁式结构，一般翼梁数量为一根或两根本文，选择两根翼梁的双梁式结构，这样可以形成承扭闭室，也可以作为整体油箱壁板。翼梁主要承受剪力和弯矩。其有不同的构造形式，如今最普遍的是腹板式翼梁，本文翼梁采用腹板式。关于翼梁的布置应当尽可能的布置在剖面高度较大部位，其次翼梁最好按弦长的百分比线布置，因为若不是这样布置，缘条的表面可能会变成双曲面，增加复杂性。一般前梁位于能与机翼前缘、前缘襟翼相连位置，后梁布置在与操纵面相连位置。依据文献【12】在保证前缘热防护以及增升装置下，尽量使其前梁安置在弦长15%处，后梁则要权衡后缘襟翼、副翼、扰流片、阻力版面积大小、安装空间、操纵机构，一般位于弦长55%-60%，因此前梁选择置于弦长15%处，后梁置于58%处。3.4.2翼肋设计翼肋为机翼横向受力骨架，位于机翼上下壁板间航向与前梁、后梁连接，其主要将气动力和集中载荷转化成壁板与一翼梁自身平面放方向的作用力。翼肋同时为壁板提供支持，影响壁板稳定性。一般常见布置方式有顺流、正交和混合布置。本文选择正交布置因其翼肋长度得以减少结构重量，结构效率较高。按照翼肋布局原则，小型飞机翼肋在300mm左右，中型飞机翼肋500mm左右，大型飞机翼肋800mm左右，而结构重量和翼肋间距的关系曲线如图3.1所示图3.1结构重量与翼肋间距的关系曲线24 从上图可以看出大约500mm至600mm内的翼肋间距最佳，本文选择翼肋间距580mm，等间距布置29根正交翼肋，因根部承力较大，根翼肋选择一根加强肋，正交翼肋选择普通肋。加强肋设置厚度为12mm，普通肋为10mm。你3.4.3蒙皮设计本小节主要希望强化蒙皮的抗冲击性能，本文在上章已选择了GLARE层板作为蒙皮材料，依据文献【13】，本文选择4/3构型，纤维层采用0/90交替的铺层，此种方案可以拥有更好的抗冲击吸能效果。厚度选择3mm3.4.5桁条设计桁条与蒙皮组成壁板与翼肋相连。桁条需要承受部分机翼弯矩引起的轴向力。其布置方案有两种可以考率：（1）百分线布置：与蒙皮连接时不会扭曲蒙皮，因间距会减小，所以需要根据应力大小，逐渐削断长桁，以此来增加桁间距；（2）沿机翼展向平行于梁轴线布置：传力直接，工艺性不复杂，但是会扭转蒙皮。所以针对两种方案的特点本文选择百分线布置以此减少蒙皮扭曲。选用10根剖面为T桁条按百分比线布置，同将桁条凸缘厚度设置成蒙皮厚度的0.8倍（2.4mm）以避免加筋桁条与蒙皮间出现分层。依据百分线的布置原则需随着间距减少而逐渐削断桁条长度。3.5本章小结本章完成对机翼结构设计基础理论的部分介绍以及通过参考A320的参数进行修改并选定最后的机翼外形和部分构件结构形式24 第四章总结与展望4.1本文小结本文通过对已有机型的机翼进行参考，并提出了自己关于其结构和材料方面的方案，此方案结合许多相关文献所提出的设计准则以及一些前人的经验。在如今时代，飞机的发展至关重要，在已有基础上进行改良是一种简洁、效率高的方法。本文将进行以下总结：（1）从研究目的、意义出发本文提出了一种新的方案，希望成为一篇有现实意义的文章，同时为完成这一文章，参考了大量关于航空设计领域的资料，开阔自己的视野，培养一种科研能力。现代航空业在前人几十年努力下已经成熟，本文也希望可以从多个角度分析存在实际意义的创新尝试并合并到一起。（2）对材料领域的学习以及研究这是一个充满着高新技术的领域，本人水平有限，通过翻阅大量资料学习理论基础并且了解部分目前比较创新的材料如现在还充满未知的复合材料。本文研究了传统金属材料与复合材料之间的区别，并针对其特点为指定构件选择材料。材料领域一直是难点，也是制约发展最重要的因素，未来肯定还会有无数性能更好的材料，以提高飞机性能和安全性。（3）关于结构设计方面学习及研究本文参考了A320机翼参数，并进行适当修改，同时重新提出了一种结构布局方案，新方案结合了不同设计方案中可取之处，并根据自己查阅资料学习基础理论来就本人自己的想法适当改变。24 4.2后期展望飞机设计领域是一个非常前沿，难度十分大的领域，本人仅仅是通过有限的资料进行入门了解，且本人水平和时间有限，本文还有许多可以探索以及研究的内容（1）通过气动分析程序进行更有实际依据的优化设计。（2）对机翼详细的受力分析并研究各构件所受载荷的进一步研究（3）对指定指标进行变量实验，获得更加详细准确的数据。（4）对理论知识进行更深入地研究，从而以更专业的角度分析现代飞机存在的问题。参考文献：[1]张振伟.机翼结构选型方法研究[D].南京航空航天大学.2011[2]刘杰.A380机翼翼肋材料更改引发的思考[J].硅谷.2014[3]杨伟,常楠,王伟.飞机复合材料翼面结构优化设计理论与应用[M].国防工业出版社.2014[4]岳珠峰,王富生,王佩艳.飞机复合材料结构分析与优化设计[M].科学出版社.2011[5]赵雪莹.现代民用飞机翼肋布置[J].科技视界.2012[6]张振起,吴安如.先进复合材料在飞机结构中的应用[J].湖南工程学院机械工程学院.2015[7]渠晓溪.复合材料机翼的结构设计与分析[D].哈尔滨工程大学.2015[8]作者不详.飞机机翼翼梁的结构分析和修理.西安航空职工大学.2019[9]李林.民用飞机金属/复合材料中央翼盒结构设计方案对比[J].民用飞机设计与研究.2017[10]党婧,高丽红,杨利.通用飞机用复合材料应用现状与发展趋势[J].中航工业第一飞机设计研究院.2013[11]孙晨,孙东.飞机结构设计中对复合材料的环境考虑[J].现代制造技术与装备.2019[12]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册(第十册)[M].航空工业出版社.2002[13]陈卫锋,万小鹏,赵美英.GLARE层合板的抗鸟撞分析[J].航空计算技术.2010[14]王世明,吴中庆,张振军.大飞机用GLARE层板的性能综合评价研究[J].2010[15]王宇，邓海强.面向绿色航空的客机机翼外形和飞行条件设计[J].中国机械工程.2017谢辞至此,论文即将结束,这标志着大学四年的学习生24 活即将结束,时光荏苒,转瞬即逝,四年里不仅有知识的储备,也认识了不少同学和老师们,感谢你们在这四年对我的厚爱。本文选择题目比较困难，中途也有十分多有疑惑的地方，感谢导师能耐心地回答我提出的疑惑并一次次、一点点地帮助我改进论文。撰写论文的过程是打开新世界的大门，借此机会了解了许多从未见过的知识，虽难度巨大，时常不能理解，但正是说明自己的知识水平还不够，还有很长一段路要走。本人现在只能跟着前人的脚步行走，愈前行，愈发现自己是多么的无知。虽对自己的评价不够满意，但这次论文过程中也提高了许多能力。为撰写论文，在短时间内查阅了大量资料，增强了我的自主学习能力，同时也增强了本人对未知领域的好奇心，在过程中也一定程度地了解了科研精神。至此，大学生活终于到了末尾，再次向敬爱的导师致敬，感谢导师对我指导与关爱。24