基于仿生學理論的機翼結構布局設計

陳志超，詹家禮， 周 斌， 孫 鵬

（1.中國民用航空飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307；2.桂林航天工業學院 機械工程系，廣西 桂林 541004）

基于仿生學理論的機翼結構布局設計

陳志超1，詹家禮2， 周 斌1， 孫 鵬1

（1.中國民用航空飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307；2.桂林航天工業學院 機械工程系，廣西 桂林 541004）

探討了魚骨，樹葉，羽毛的生物骨架，借助仿生學理論，對大展弦比機翼進行了結構布局設計。通過有限元模型，分別對機翼撓度，強度，扭轉角進行校核，證明了仿生機翼是滿足設計要求的。

生物骨架；仿生學；大展弦比；結構布局

0 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。經過數百萬年的進化，無論魚骨的形狀，鳥羽毛的自然走向，還是樹葉的葉脈分布，均是適應外界環境的結果[1]。

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[2]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[3]通過對鳥類飛行參數的統計分析，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。

圖1 魚骨分布與樹葉葉脈走向Fig.1 Distribution of fish bones and veins of leaves

2 仿生機翼的設計要求

從圖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0.3，密度2700kg/m3。

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，翼尖扭轉角＜2°。因為本文機翼半展長為8000mm,所以翼尖撓度變形＜800mm。

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 機翼結構線框圖Fig.2 The wireframe of wing structures

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，其截面形狀參數為截面面積；梁元BEAM的截面形狀較多，其截面形狀參數較復雜，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。

表1 有限元單元屬性Tab.1 Finite Element Cell properties

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 邊界條件與載荷Fig.3 The boundary conditions and loading

5 分析得到強度分析結果

由圖4可見翼尖最大位移781mm＜800mm，滿足機翼撓度約束。

圖4 翼尖撓度變形圖Fig.4 Aircraft wing tip deflection diagram

由圖5可見，機翼最大應力在翼根處，且機翼最大應力420MPa小于材料的應力強度極限425Mpa，滿足強度要求。

由圖6可見，機翼的扭轉角為 （17.3mm＋16.2mm）/ 1000mm＝0.0335rad＝1.83°＜2°，滿足機翼扭轉角度要求

6 結束語

本文將自然界中的生物骨架特征引入到機翼結構布局設計中，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。

植物葉片結構與大展弦比機翼在受力特性、約束條件、承力品質幾方面具有相似性。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，扭轉角都滿足了設計要求。

圖5 機翼應力分布云圖Fig.5 Wing stress contours

圖6 機翼弦向位移分布圖Fig.6 Wing chord displacement contours

[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.

[4]HIDETOSHI K,MASHASI D,KAORI K.Venation pattern of butterbur leaf and its mechanical contribution[J].J.Soc.Mat.Sci.,2000，12.

Wing Structural Layout Design Based on Bionics Theory

CHEN Zhi-Chao1，ZHAN Jia-Li2，ZHOU Bin1，SUN Peng1
（1.Aviation Engineering Institute,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan Sichuan 618307,China；2.Department of Mechanical Engineering,Ginlin University of Aerospace Technology,Guilin Guangxi 541004,China)

The paper discussed the biological skeleton of the fishbone,leaves,feathers,using bionics theory,the structural layout of high aspect ratio wing was designed.By the finite element model,the deflection,strength,torsion angle of wing are checked,the bionic wing was proved to meet the design requirements.

biological skeleton；bionics；high aspect ratio；structural layout

V224+.3

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.005

1002－6673（2014）03－012－03

2014－05－06

陳志超（1985-），男，四川南充人，碩士，助教，從事飛機結構設計與維修方面的研究。