- 相關(guān)推薦
仿生機(jī)翼設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題探究
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，以下是小編搜集整理的一篇探究仿生機(jī)翼設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題的論文范文，歡迎閱讀參考。
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(guò)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(guò)數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化，無(wú)論魚(yú)骨的形狀，鳥(niǎo)羽毛的自然走向，還是樹(shù)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(jiàn)，魚(yú)骨的分布顯示了魚(yú)在水中游動(dòng)時(shí)的魚(yú)骨架的傳力路徑;圖1也可見(jiàn)，樹(shù)葉的葉脈走向顯示了樹(shù)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(guò)對(duì)鳥(niǎo)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(yú)骨，葉脈和鳥(niǎo)羽毛所具有相似的形狀與分布這一特點(diǎn)，開(kāi)展基于仿生理論的機(jī)翼結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)。
2仿生機(jī)翼的設(shè)計(jì)要求
從圖1中，可見(jiàn)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0.3，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<800mm。
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(lái)模擬。桿元BAR又稱為常截面彎曲梁?jiǎn)卧涸狟EAM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(méi)有布置長(zhǎng)桁，故沒(méi)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�1】
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(guò)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(jiàn)翼尖最大位移781mm<800mm，滿足機(jī)翼?yè)隙燃s束。由圖5可見(jiàn)，機(jī)翼最大應(yīng)力在翼根處，且機(jī)翼最大應(yīng)力420MPa小于材料的應(yīng)力強(qiáng)度極限425Mpa，滿足強(qiáng)度要求。由圖6可見(jiàn)，機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)角為(17.3mm+16.2mm)/1000mm=0.0335rad=1.83°<2°，滿足機(jī)翼扭轉(zhuǎn)角度要求.【圖4-6.略】
6結(jié)束語(yǔ)
本文將自然界中的生物骨架特征引入到機(jī)翼結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)中，將翼肋斜置45°，讓翼肋不僅僅承受扭矩，也與翼梁一起承受彎矩。
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(yú)骨，樹(shù)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(guò)在MSC.PATRAN中建立有限元模型，驗(yàn)證了該機(jī)翼?yè)隙�，�?qiáng)度，扭轉(zhuǎn)角都滿足了設(shè)計(jì)要求。
參考文獻(xiàn)：
[1]鄧揚(yáng)晨，陳華.基于仿生的大展弦比直機(jī)翼結(jié)構(gòu)布局形式研究[J].航空計(jì)算技術(shù)，2007，2.
[2]岑海堂，陳五一，喻懋林，等.翼身結(jié)合框結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，1.
[3]張明偉，方宗德，周凱.微撲翼飛行器的仿生結(jié)構(gòu)研究[J].機(jī)床與液壓，2007，6.
【仿生機(jī)翼設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題探究】相關(guān)文章：
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)問(wèn)題探究10-17
指定居所監(jiān)視居住相關(guān)法律問(wèn)題探究10-22
建筑設(shè)計(jì)中建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)問(wèn)題06-03
探究計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)中的排序問(wèn)題04-26
探究美術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生英語(yǔ)寫(xiě)作詞塊的相關(guān)論文09-15
談仿生設(shè)計(jì)在服裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用07-16
電腦美術(shù)設(shè)計(jì)工作中的問(wèn)題探究論文05-24
淺論仿生設(shè)計(jì)在服裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用08-11