计算机辅助模型飞机机翼结构优化设计

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1、计算机辅助模型飞机机翼结构优化设计作者：杨炯（SW笨笨）单位：北航无人驾驶飞行器设计研究所摘要：本文以计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助设计校验（FEA）静态结构分析（StaticMechanicalAnalyse）为工具，对常规布局模型飞机的几种常用机翼结构进行抗弯、变形、应变分析，以浅显的语言讨论各部分结构在受力情况下的作用，并得出机翼结构的优化设计推荐方案。关键词：CAD、FEA、静态结构力学分析、翼型、翼肋、翼梁、副板、蒙皮、载荷、设计优化、应力、形变、载荷分布前言随着模型运动在中国的普及，航模飞机的设计、分析也在不断发展。但是国内的航模设计、制作过程长期处于经验加手

2、工计算的阶段。由于飞机结构的复杂性，也使爱好者很难对其各部分结构的受力情况、变形情况有直观的了解。本文就以计算机辅助分析为工具，以图形化的方式和浅显的语言对飞机机翼的典型结构进行设计讨论。另外模型飞机作为一种小型飞行器，其结构设计是从大型飞机精简而来，而与中小型无人机非常类似，有的甚至可以直接作为小型无人机平台使用。所以对其结构进行设计优化的分析，对小型无人机的设计有着重要的参考价值。设计校验分析（FEA）是目前计算机辅助分析（CAE）领域的一个新兴分支。从上个世纪八九十年代开始发展，并以非常快的速度在设计行业内普及开来。设计校验分析与复杂的工程分析有很大的不同。它主要着眼于产

3、品设计优化，对其应力、形变、热传导等等有一个定型的了解，然后再改进产品的设计。分析过程中对复杂的有限元理论不做探讨，而是用最简单的Mesh形状，以最快的速度对几何形状进行全自动的分析，以加快优化设计的效率。软件在使用上也比工程分析软件来的容易。目前主要的CAD软件都自带此类结构分析模块，比如CATIA、Solidworks、UG等，不过功能比较简单。常用的独立软件主要有COSMOS系列和AnsysDesignSpace等，其主要特点是直接嵌入CAD软件，使用、数据交换都非常简单。1常见的机翼结构及介绍。模型飞机的机翼内部结构主要由翼肋、翼梁、前缘、后缘、副板、蒙皮等组成，见下图

4、。本文并不对副翼、襟翼等流体力学结构进行讨论，所以不算在内。由于模型飞机载荷小，而且大部分作为娱乐、竞技使用。所以这些结构并不是在每一架飞机上都有必要存在，依实际情况比如重量、速度甚至制作者的个人爱好而有所不同。下面选取几种常见的模型飞机机翼结构作为对比分析的物理模型。名称说明图示名称说明图示单梁除必要的翼肋、前后缘外只有翼梁双梁有主辅双翼梁双梁单副板主梁上有单侧副板双梁前双副板主梁上两侧有副板双梁前后单副板主副梁上都有单侧副板双梁前双副板后但副板主梁双侧副板，副梁单侧副板全蒙板具有全部副板，外侧全部蒙板前蒙板具有全部副板，外侧前部蒙板。这是最常用的机翼结构2结构力学有限元分析

5、2.1分析条件的简化设计校验分析地目的是以高效率得到一个具有普遍意义的结果，而不是相对于某一项工程所作的工程分析。所以，进行分析简化就很重要了。进行几何拓扑的简化可以有减少软件划分网络的复杂性，并成倍减少几何计算量。简化受力情况可以减少各种力的偶合，加快力学分析速度。2.1.1受力条件的简化一架普通飞机在定常流下匀速直线飞行时机翼所受气流压强如下图所示：由图可见，机翼受压强基本与弦长成正比，翼尖由于气流比较复杂，而有所不同，但是本分析要得到普遍的结构分析结论，所以忽略局部特征，而将升力简化为一均匀载荷加载于机翼下表面。而机翼所受其他力由于所占比例较小，忽略不计，比如一般阻力是升

6、力的1/30。这也是机翼结构分析时的通用做法。飞机匀速水平飞行时，机翼升力等于飞机重力。由于本分析中机翼翼展选取模型常用的1200mm，而这种翼展的飞机加载荷一般在3Kg左右简化结果：单边机翼下表面加均匀载荷1.5Kgf。2.1.2飞机几何形状的简化飞机的翼型有平凸、双凸、对称、凹凸等等，而最具代表和常用的形状是双凸翼型。下图是一个普通的双凸翼型。而翼型本身是一个很复杂的曲线，进行三维建模后会形成复杂的曲面形状，大大加重分析软件的负担。因为本分析着眼与结构，与流体特性无关，所以使用5段圆弧来组成相似的翼型形状，如下图：翼型的弦长200mm，厚度30mm（15%），最厚点在70m

7、m处即35%，这是模型制作中最常用的翼型参数。机翼最常用的形状是梯形机翼，但是其力学情况与矩形机翼差别不大。所以使用矩形机翼来进行分析。2.1.3材料的选取模型飞机一般使用木材作为原料制作，少量也使用复合材料。这些材料密度、模量、都有所不同，甚至单块材料的不同部分参数也不相同。而且木材料为各向异性材料，要得到其参数很不容易。本分析的目的是分析结构不同部分的受力、变形情况，所以结果与材料关系不大，采用均匀的相近参数材质进行分析。下图是分析中应用的材料参数表：各种结构机翼重量表：2.2形变分析结