仿生机翼设计相关问题探究

3.0 闻远设计 2023-02-28 195 4 13.63KB 2 页 2光币

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仿生机翼设计相关问题探究

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。

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设计灵感。岑海堂等

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。侯宇等通过对

鸟类飞行参数的统计分析，拟合出扑翼飞行的仿生学公式，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] 中指出中肋两侧的一阶叶脉，一般相

对中肋倾斜 30°～50° 。本文设定翼肋倾斜 45° ，让翼肋不再仅仅维形和承受扭矩，而且还要

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DF101 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。【图1.略】

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�2° 。因为本文机翼半展长为8000mm,所以翼尖挠度变形<800mm。

3 仿生机翼的有限元建模

在MSC.PATRAN 中建立有限元模型，首先建立翼梁几何模型。本文采用三梁式机翼，前梁

设在 x=70mm ，中梁在 x=370mm 处，后梁在 x=650mm 处，且翼肋倾斜 45° ，让翼肋同时承

受扭矩和弯矩。【图2.略】

4 定义材料属性和加载

在进行机翼结构有限元分析时，需要对实际的复杂机翼结构进行合理的模型简化。梁和翼肋

是复杂的三维薄壁结构，一般把梁和翼肋看成是由缘条和腹板组成，将缘条离散为杆元或梁

元，腹板离散为二维平面应力板元。蒙皮离散为二维平面应力板元。蒙皮、梁和翼肋的腹板

采用壳元模拟。壳元包括 QUAD4 和TRIA3 ，其中TRIA3 单元对结构形状适应性强，但

QUAD4 单元计算精度高。本文采用QUAD4 等参数元，提高计算精度。

长桁、梁和翼肋的缘条采用杆元或梁元来模拟。杆元 BAR 又称为常截面弯曲梁单元，梁元

BEAM 又称为变截面弯曲梁单元。从名字可以看出，杆元 BAR 的截面形状比较固定，是圆

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摘要：

仿生机翼设计相关问题探究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。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...

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