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1、仿生機翼設計相關問題探究
引言
對于飛機設計師而言， 結構減重是一個永恒的追求目標， 因為越輕的結構重量意味著更大的航程和更低的油耗， 當然前提是必須保證飛機的適航性。
機翼承受自重和氣動力， 由蒙皮、 翼梁、 墻和翼肋通過接頭傳遞給機身， 翼梁主要承受彎矩、 墻、 翼肋主要承受扭矩。 為了提高飛機的升阻比， 就需要研究機翼的輕量化結構布局型式。 仿生學為這一課題提供了新的思路。
1 仿生機翼的設計方法
眾所周知， 物競天擇， 適者生存是大自然的基本法則。 經(jīng)過數(shù)百萬年的進化， 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， 均是適應外界環(huán)境的結果。
從圖 1 可見， 魚骨的分布顯示了魚在水中游動時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雨吹淋中的傳力路徑。
這些自然界中的"生物骨架";， 設計之巧妙，為工程師們提供了源源不斷的設計靈感。岑海堂等參考竹干的細觀特征， 模仿設計了仿竹翼身結合框， 結構效能得到明顯改善。 侯宇等通過對鳥類飛行參數(shù)的統(tǒng)計分析， 擬合出撲翼飛行的仿生學公式， 設計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， 開展基于仿生理論的機翼結構布局設計。 2 仿生機翼的設計要求
從
3、圖 1 中， 可見葉脈最主要結構特征是傾斜、 交錯、 分叉， 并且尺寸沿軸線逐漸減小。 葉脈沿中肋交錯分布， 適應不同部位應力分布特點。 文獻[4]中指出中肋兩側的一階葉脈， 一般相對中肋傾斜 30～50。 本文設定翼肋傾斜 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。 針對大展弦比機翼受載情況， 本文提出以下設計要求： 機翼展弦比 A>6， 本文定義 A=8， 其 中弦長 C =1000mm， 半 展長 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】
強度約束滿足相應的強度指標， 位移約束滿足翼尖撓度變形﹤0.1 倍的機翼半展長， 翼尖扭轉(zhuǎn)角﹤2。 因為本文機翼半展長為 8000mm,所以翼尖撓度變形 3 仿生機翼的有限元建模
在 MSC.PATRAN 中建立有限元模型， 首先建立翼梁幾何模型。 本文采用三梁式機翼， 前梁設在 x=70mm，中梁在 x=370mm 處， 后梁在 x=650mm 處， 且翼肋傾斜45， 讓翼肋同時承受扭矩和彎矩。【圖2.略】 4 定義材料屬性和加載
在進行機翼結構有限元分析時， 需要對實際的復雜機翼結構進行合理的模型簡化。 梁和翼肋是復雜
5、的三維薄壁結構， 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力板元。 蒙皮離散為二維平面應力板元。 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 元對結構形狀適應性強 ， 但 QUAD4 單 元計算精度高。 本文采用 QUAD4 等參數(shù)元， 提高計算精度。
長桁、 梁和翼肋的緣條采用桿元或梁元來模擬。 桿元BAR 又 稱為常截面彎曲梁單元 ， 梁元 BEAM 又 稱為變截面彎曲梁單元。 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)較復雜， 但能更好的反映實際的長桁、 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?】 翼盒作為外翼結構中最主要的承力部件， 對整個機翼有著重要的影響。 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)動機吊掛和起落架 飛機運營 過 程 中 所有 工 作 情 況下的載 荷 都 是 會傳遞到翼盒上。因此 本 文 將 機翼 根 部 固 支 ，在機 翼 下 表 面加面載荷為 0.006Mpa。【圖3.略】 5 分析得到強度分析結果 由圖 4 可見翼尖最大位移 781mm 植物葉片結構與大展弦比機翼在受力特性、 約束條件、 承力品質(zhì)幾方面具有相似性。 這種翼肋的適當傾斜對飛機剛度， 強度有利。
本文針對大展弦比機翼設計要求， 模仿魚骨， 樹葉， 羽毛等生物結構， 對機翼結構布局進行了仿生設計， 并通過在 MSC.PATRAN 中建立有限元模型， 驗證了該機翼撓度， 強度， 扭轉(zhuǎn)角都滿足了設計要求。
參考文獻：
[1] 鄧揚晨，陳華.基于仿生的大展弦比直機翼結構布局形式研究[J].航空計算技術，2007，2. [2] 岑海堂，陳五一，喻懋林 ，等.翼身結合框結構仿生設計[J].北 京航空航天大學學報，2005，1. [3] 張明偉，方宗德，周凱.微撲翼飛行器的仿生結構研究[J].機床與液壓，2007，6.
仿生機翼設計相關問題探究
