工程力学毕业论文仿生机翼设计相关问题探究

仿生机翼设计相关问题探究

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，以下是搜集整理的一篇探究仿生机翼设计相关问题的论文范文，欢迎阅读参考。

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，是圆形平面，其

截面形状参数为截面面积;梁元BEAM的截面形状较多，其截面形

状参数较复杂，但能更好的反映实际的长桁、梁和翼肋的缘条的

截面形状。

本文选择QUAD4壳元模拟蒙皮、梁和肋的腹板，采用杆元BAR 模型梁和肋的缘条，本文没有布置长桁，故没有模拟。分别将shangmengpi、xiamengpi、yiliang、yile组中的所有平面定义为

2D-shell单元，厚度为5mm，材料为铝合金，将翼肋缘条和梁缘

条分别定义为1D-BAR单元，面积150mm2，如表1所示。【表1】

翼盒作为外翼结构中最主要的承力部件，对整个机翼有着重

要的影响。翼盒前端连接固定前缘和前缘缝翼，后端连接副翼襟

翼和扰流板，下端连接发动机吊挂和起落架飞机运营过程中所有

工作情况下的载荷都是会传递到翼盒上。因此本文将机翼根部固支，在机翼下表面加面载荷为0.006Mpa。【图3.略】

5分析得到强度分析结果

由图4可见翼尖最大位移781mm<800mm，满足机翼挠度约束。由图5可见，机翼最大应力在翼根处，且机翼最大应力420MPa小

于材料的应力强度极限425Mpa，满足强度要求。由图6可见，机

翼的扭转角为(17.3mm+16.2mm)/1000mm=0.0335rad=1.83°<2°，

满足机翼扭转角度要求.【图4-6.略】

6结束语

本文将自然界中的生物骨架特征引入到机翼结构布局设计中，将翼肋斜置45°，让翼肋不仅仅承受扭矩，也与翼梁一起承受弯矩。

植物叶片结构与大展弦比机翼在受力特性、约束条件、承力

品质几方面具有相似性。这种翼肋的适当倾斜对飞机刚度，强度

有利。

本文针对大展弦比机翼设计要求，模仿鱼骨，树叶，羽毛等

生物结构，对机翼结构布局进行了仿生设计，并通过在

MSC.PATRAN中建立有限元模型，验证了该机翼挠度，强度，扭转角都满足了设计要求。

参考文献：

[1]邓扬晨，陈华.基于仿生的大展弦比直机翼结构布局形式

研究[J].航空计算技术，2007，2.

[2]岑海堂，陈五一，喻懋林，等.翼身结合框结构仿生设计[J].北京航空航天大学学报，2005，1.

[3]张明伟，方宗德，周凯.微扑翼飞行器的仿生结构研究[J].机床与液压，2007，6.