计算机辅助模型飞机机翼结构优化设计
作者：杨炯 单位：北航无人驾驶飞行器设计研究所 摘要：本文以计算机辅助设计 关键词：CAD、FEA、静态结构力学分析、翼型、翼肋、翼梁、副板、蒙皮、载荷、设计优化、应力、形变、载荷分布 前言 随着模型运动在中国的普及，航模飞机的设计、分析也在不断发展。但是国内的航模设计、制作过程长期处于经验加手工计算的阶段。由于飞机结构的复杂性，也使爱好者很难对其各部分结构的受力情况、变形情况有直观的了解。本文就以计算机辅助分析为工具，以图形化的方式和浅显的语言对飞机机翼的典型结构进行设计讨论。 另外模型飞机作为一种小型飞行器，其结构设计是从大型飞机精简而来，而与中小型无人机非常类似，有的甚至可以直接作为小型无人机平台使用。所以对其结构进行设计优化的分析，对小型无人机的设计有着重要的参考价值。 设计校验分析 1 常见的机翼结构及介绍。 模型飞机的机翼内部结构主要由翼肋、翼梁、前缘、后缘、副板、蒙皮等组成，见下图。本文并不对副翼、襟翼等流体力学结构进行讨论，所以不算在内。 1 / 15 由于模型飞机载荷小，而且大部分作为娱乐、竞技使用。所以这些结构并不是在每一架飞机上都有必要存在，依实际情况比如重量、速度甚至制作者的个人爱好而有所不同。下面选取几种常见的模型飞机机翼结构作为对比分析的物理模型。 名称 单梁 双梁单副板 说明 除必要的翼肋、前后缘外只有翼梁 主梁上有单侧副板 图示 名称 说明 有主辅双翼梁 图示 2 / 15 双梁 双梁前双副板 主梁上两侧有副板 主梁双侧副板，副梁单侧副板 主副梁上都有单侧副板 具有全部副板，外侧全部蒙板 双梁前双副板后但副板 双梁前后单副板 全蒙板 具有全部副板，外侧前部蒙板。这是最常用的机翼结构 前蒙板 2 结构力学有限元分析 2.1分析条件的简化 设计校验分析地目的是以高效率得到一个具有普遍意义的结果，而不是相对于某一项工程所作的工程分析。所以，进行分析简化就很重要了。进行几何拓扑的简化可以有减少软件划分网络的复杂性，并成倍减少几何计算量。简化受力情况可以减少各种力的偶合，加快力学分析速度。 2.1.1受力条件的简化 一架普通飞机在定常流下匀速直线飞行时机翼所受气流压强如下图所示： 由图可见，机翼受压强基本与弦长成正比，翼尖由于气流比较复杂，而有所不同，但是本分析要得到普遍的结构分析结论，所以忽略局部特征，而将升 3 / 15