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1、仿生機(jī)翼設(shè)計(jì)相關(guān)問題探究
引言
對(duì)于飛機(jī)設(shè)計(jì)師而言， 結(jié)構(gòu)減重是一個(gè)永恒的追求目標(biāo)， 因?yàn)樵捷p的結(jié)構(gòu)重量意味著更大的航程和更低的油耗， 當(dāng)然前提是必須保證飛機(jī)的適航性。
機(jī)翼承受自重和氣動(dòng)力， 由蒙皮、 翼梁、 墻和翼肋通過接頭傳遞給機(jī)身， 翼梁主要承受彎矩、 墻、 翼肋主要承受扭矩。 為了提高飛機(jī)的升阻比， 就需要研究機(jī)翼的輕量化結(jié)構(gòu)布局型式。 仿生學(xué)為這一課題提供了新的思路。
1 仿生機(jī)翼的設(shè)計(jì)方法
眾所周知， 物競(jìng)天擇， 適者生存是大自然的基本法則。 經(jīng)過數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化， 無論魚骨的形狀， 鳥羽毛的自然走向， 還是
2、樹葉的葉脈分布， 均是適應(yīng)外界環(huán)境的結(jié)果。
從圖 1 可見， 魚骨的分布顯示了魚在水中游動(dòng)時(shí)的魚骨架的傳力路徑； 圖 1 也可見， 樹葉的葉脈走向顯示了樹葉在風(fēng)雨吹淋中的傳力路徑。
這些自然界中的"生物骨架";， 設(shè)計(jì)之巧妙，為工程師們提供了源源不斷的設(shè)計(jì)靈感。岑海堂等參考竹干的細(xì)觀特征， 模仿設(shè)計(jì)了仿竹翼身結(jié)合框， 結(jié)構(gòu)效能得到明顯改善。 侯宇等通過對(duì)鳥類飛行參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析， 擬合出撲翼飛行的仿生學(xué)公式， 設(shè)計(jì)并制作了仿生撲翼飛行器。
本文將利用魚骨， 葉脈和鳥羽毛所具有相似的形狀與分布這一特點(diǎn)， 開展基于仿生理論的機(jī)翼結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)?！ ? 仿生機(jī)翼的設(shè)計(jì)要求
從
3、圖 1 中， 可見葉脈最主要結(jié)構(gòu)特征是傾斜、 交錯(cuò)、 分叉， 并且尺寸沿軸線逐漸減小。 葉脈沿中肋交錯(cuò)分布， 適應(yīng)不同部位應(yīng)力分布特點(diǎn)。 文獻(xiàn)[4]中指出中肋兩側(cè)的一階葉脈， 一般相對(duì)中肋傾斜 30～50。 本文設(shè)定翼肋傾斜 45， 讓翼肋不再僅僅維形和承受扭矩， 而 且還要承受一定彎矩。 針對(duì)大展弦比機(jī)翼受載情況， 本文提出以下設(shè)計(jì)要求： 機(jī)翼展弦比 A>6， 本文定義 A=8， 其 中弦長(zhǎng) C =1000mm， 半 展長(zhǎng) b =8000mm； 翼 載荷W/S=6000Pa； 翼 型自選 。 本文采用 DF101 翼 型 ； 材料自選。 本文采用鋁合金， 其彈性模量 70Gpa， 泊松比0.
4、3， 密度 2700kg/m3?！緢D1.略】
強(qiáng)度約束滿足相應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)， 位移約束滿足翼尖撓度變形﹤0.1 倍的機(jī)翼半展長(zhǎng)， 翼尖扭轉(zhuǎn)角﹤2。 因?yàn)楸疚臋C(jī)翼半展長(zhǎng)為 8000mm,所以翼尖撓度變形 3 仿生機(jī)翼的有限元建模
在 MSC.PATRAN 中建立有限元模型， 首先建立翼梁幾何模型。 本文采用三梁式機(jī)翼， 前梁設(shè)在 x=70mm，中梁在 x=370mm 處， 后梁在 x=650mm 處， 且翼肋傾斜45， 讓翼肋同時(shí)承受扭矩和彎矩?！緢D2.略】 4 定義材料屬性和加載
在進(jìn)行機(jī)翼結(jié)構(gòu)有限元分析時(shí)， 需要對(duì)實(shí)際的復(fù)雜機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的模型簡(jiǎn)化。 梁和翼肋是復(fù)雜
5、的三維薄壁結(jié)構(gòu)， 一般把梁和翼肋看成是由緣條和腹板組成，將緣條離散為桿元或梁元， 腹板離散為二維平面應(yīng)力板元。 蒙皮離散為二維平面應(yīng)力板元。 蒙皮、 梁和翼肋的腹板采用殼元模擬。 殼元包括 QUAD4 和 TRIA3， 其中TRIA3 單 元對(duì)結(jié)構(gòu)形狀適應(yīng)性強(qiáng) ， 但 QUAD4 單 元計(jì)算精度高。 本文采用 QUAD4 等參數(shù)元， 提高計(jì)算精度。
長(zhǎng)桁、 梁和翼肋的緣條采用桿元或梁元來模擬。 桿元BAR 又 稱為常截面彎曲梁?jiǎn)卧?， 梁元 BEAM 又 稱為變截面彎曲梁?jiǎn)卧?從名字可以看出， 桿元 BAR 的截面形狀比較固定， 是圓形平面， 其截面形狀參數(shù)為截面面積； 梁元 BEAM
6、 的截面形狀較多， 其截面形狀參數(shù)較復(fù)雜， 但能更好的反映實(shí)際的長(zhǎng)桁、 梁和翼肋的緣條的截面形狀。
本文選擇 QUAD4 殼元模擬蒙皮、 梁和肋的腹板，采用桿元 BAR 模型梁和肋的緣條， 本文沒有布置長(zhǎng)桁，故沒有模擬。 分別將 shangmengpi、 xiamengpi、 yiliang、yile 組 中 的 所 有 平 面 定 義 為 2D -shell 單 元 ， 厚 度 為5mm， 材料為鋁合金， 將翼肋緣條和梁緣條分別定義為1D-BAR 單元， 面積 150mm2， 如表 1 所示?！颈?】 翼盒作為外翼結(jié)構(gòu)中最主要的承力部件， 對(duì)整個(gè)機(jī)翼有著重要的影響。 翼盒前端連接
7、固定前緣和前緣縫翼， 后端連接副翼襟翼和擾流板， 下端連接發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛和起落架 飛機(jī)運(yùn)營(yíng) 過 程 中 所有 工 作 情 況下的載 荷 都 是 會(huì)傳遞到翼盒上。因此 本 文 將 機(jī)翼 根 部 固 支 ，在機(jī) 翼 下 表 面加面載荷為 0.006Mpa?！緢D3.略】 5 分析得到強(qiáng)度分析結(jié)果 由圖 4 可見翼尖最大位移 781mm 植物葉片結(jié)構(gòu)與大展弦比機(jī)翼在受力特性、 約束條件、 承力品質(zhì)幾方面具有相似性。 這種翼肋的適當(dāng)傾斜對(duì)飛機(jī)剛度， 強(qiáng)度有利。
本文針對(duì)大展弦比機(jī)翼設(shè)計(jì)要求， 模仿魚骨， 樹葉， 羽毛等生物結(jié)構(gòu)， 對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行了仿生設(shè)計(jì)， 并通過在 MSC.PATRAN 中建立有限元模型， 驗(yàn)證了該機(jī)翼?yè)隙龋?強(qiáng)度， 扭轉(zhuǎn)角都滿足了設(shè)計(jì)要求。
參考文獻(xiàn)：
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仿生機(jī)翼設(shè)計(jì)相關(guān)問題探究
