機翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量分配方法探討

許永標(biāo)

摘要：在進(jìn)行飛機設(shè)計時，機翼結(jié)構(gòu)的重量的分配十分重要。但是機翼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分配需要考慮諸多因素，提出一種機翼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分配方法。進(jìn)行機翼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分配時，一般將其按照一定比例分配到承剪結(jié)構(gòu)、承彎結(jié)構(gòu)、起落架結(jié)構(gòu)、氣動荷載結(jié)構(gòu)、燃油結(jié)構(gòu)、前后緣結(jié)構(gòu)以及其他一些附屬結(jié)構(gòu)等。需要對機翼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分配的方法進(jìn)行探討，分析質(zhì)量分配方法的合理性和有效性。

Abstract：?in?the?plane?design，?the?weight?of?the?wing?structure?of?the?distribution?is?very?important.?But?the?quality?of?the?wing?structure?allocation?need?to?consider?many?factors，?put?forward?a?method?of?the?quality?of?the?wing?structure?distribution?.Assign?the?quality?of?the?wing?structure，?general?according?to?certain?proportion?assigned?to?its?bearing?shear?structure，?the?structure?of?the?bending，?the?gear?structure，?the?structure?of?the?pneumatic?load，?fuel?structure，?front?and?back?edge?structure?and?other?adjacent?structures，?etc.?Need?to?assign?the?quality?of?the?wing?structure?method?were?discussed，?the?rationality?and?validity?of?the?analysis?quality?distribution?method.

關(guān)鍵詞：機翼結(jié)構(gòu);質(zhì)量分配;探討

Key?words：?the?wing?structure;?The?quality?of?distribution;?To?discuss

1.引言

隨著我國航空業(yè)的不斷發(fā)展，飛機的設(shè)計越來越受重視，而對于機翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計更加重要。機翼結(jié)構(gòu)的重量在飛機整個結(jié)構(gòu)的重量中占很大比例，對于飛機的重要性和作用不言而喻。機翼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量的分配的好壞對于飛機的設(shè)計的合理性具有重要意義。常用的一些分配方法往往不會滿足對于飛機機翼結(jié)構(gòu)的要求，因此，要分析機翼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分配方法，選取最合適的分配方法進(jìn)行設(shè)計，保證飛機設(shè)計的合理性。

2.機翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量分配方法

2.1?經(jīng)驗公式法

經(jīng)驗公式法，即統(tǒng)計分析法，其主要為對多年積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析，采用一些公式擬合軟件求得機翼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分配間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)行估算機翼結(jié)構(gòu)的重量，進(jìn)行質(zhì)量分配。由于這些數(shù)學(xué)表達(dá)式是將飛機的一些性能參數(shù)進(jìn)行線性回歸，因此計算過程中所需的計算量小，需要的數(shù)據(jù)少，計算方便，非常適用于飛機設(shè)計的初級階段。各種類型的飛機的機翼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量基本都可以根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)驗公式計算得到，很多都已經(jīng)作為一些基本信息應(yīng)用于飛機機翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量分析軟件中，如ACSYNT?、AAA等。但是，由于飛機的設(shè)計的不斷發(fā)展，其局限性越來越被方法，該方法的精度與飛機機翼的幾何形狀、材料等有很大關(guān)系，一旦采用一些新興材料或者一些新的機翼形狀，其誤差便會很大，本方法就不適用了。

2.2?工程梁方法

工程梁分配方法是以對機翼結(jié)構(gòu)的承載力的受力進(jìn)行分析為理論基礎(chǔ)進(jìn)行的。該方法僅對機翼結(jié)構(gòu)的翼盒重量進(jìn)行評估，其他結(jié)構(gòu)的質(zhì)量的分配仍然采用根據(jù)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗總結(jié)。該方法假設(shè)機翼結(jié)構(gòu)為墻梁式結(jié)構(gòu)，將機翼結(jié)構(gòu)的受力分為承剪結(jié)構(gòu)、承扭結(jié)構(gòu)和承彎結(jié)構(gòu)共三大部分，之后對這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行重量分配，之后以一定的修正方法進(jìn)行修正。該方法主要考慮了機翼結(jié)構(gòu)的形式、材料的種類、荷載情況以及機翼結(jié)構(gòu)零件等因素，對于機翼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分配加以修正，可以適應(yīng)機翼結(jié)構(gòu)威新材料的要求。但是由于其僅僅考慮了機翼結(jié)構(gòu)的翼盒，因此不能適用于一些不常規(guī)的機翼形狀?；诖?，Chambers等科學(xué)家編寫了該方法的程序PDCYL作為對其不足的補充填充到美國NASA飛機機翼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分配方法中，以提高應(yīng)用范圍。

繼工程梁法后的等效平板法采用了全局里茲法分析計算，其不考慮飛機機翼結(jié)構(gòu)的形狀，不用有限元計算但可以做到與有限元計算方法類似的結(jié)果，計算快速方便。但是，其與工程梁法相比，所計算出的飛機機翼的結(jié)構(gòu)剛度偏大，因此其應(yīng)用范圍較小。

2.3?有限元法

有限元法是利用計算機技術(shù)和CAE技術(shù)進(jìn)行建立機翼結(jié)構(gòu)模型，對于機翼結(jié)構(gòu)在不同載荷情況下的剛度、穩(wěn)定性等進(jìn)行研究，最終得出機翼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分配方法。通過現(xiàn)有的繪圖軟件如UG、proE等建模，采用一些有限元軟件如ANSYS、PATRAN等進(jìn)行計算分析，最終得到機翼結(jié)構(gòu)的分配方法。采用計算機有限元計算方法，可以將整個計算流程實現(xiàn)自動化，可以批量計算得到結(jié)果，可以多次修改計算結(jié)果直到最優(yōu)分配方法，其不僅減輕了飛機設(shè)計工程人員的負(fù)擔(dān)，也極大的縮短了飛機設(shè)計的周期。該方法可以根據(jù)真實的飛機進(jìn)行建模，對于設(shè)計的機翼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有要求，可以根據(jù)設(shè)計構(gòu)想分析各種形狀的飛機機翼，同時，采用計算機計算使得計算精度可以得到保證。但是在飛機初始設(shè)計階段，主要的設(shè)計參數(shù)等不能確定，有限元計算不能輸入合理地數(shù)據(jù)，則不能對于飛機機翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的計算。但是，一些飛機公司做了一些嘗試進(jìn)行修改，美國的NASA研究中心在建立機翼模型，進(jìn)行有限元分析時提出了一些相應(yīng)措施，提高了該方法的適用性。

2.4?修正的新型質(zhì)量分配模型法

修正的分配法采用結(jié)構(gòu)分析的原理，通過建立飛機機翼結(jié)構(gòu)模型，采用參數(shù)優(yōu)化的方法確定模型的結(jié)構(gòu)的修正系數(shù)，進(jìn)而得出機翼結(jié)構(gòu)的分配模型，最終進(jìn)行機翼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分配。其加機翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量分為基本翼箱質(zhì)量Wbox和次結(jié)構(gòu)質(zhì)量Wsub。將基本翼箱質(zhì)量Wbox分為承剪的結(jié)構(gòu)的質(zhì)量Ws、承彎的結(jié)構(gòu)的質(zhì)量Wb、起落架的安裝結(jié)構(gòu)的質(zhì)量Wgd、分布的氣動載荷結(jié)構(gòu)的質(zhì)量Wbkd、油箱結(jié)構(gòu)的質(zhì)量Wfe和外掛物安裝影響結(jié)構(gòu)的質(zhì)量Wps共六部分（圖1）。將次結(jié)構(gòu)的質(zhì)量Wsub分為次結(jié)構(gòu)的前緣結(jié)構(gòu)的質(zhì)量Wle、次結(jié)構(gòu)的后緣結(jié)構(gòu)的質(zhì)量Wte、副翼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量Wa、機翼機身接頭的質(zhì)量Wfw、襟翼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量Wfl和其他結(jié)構(gòu)的質(zhì)量Wmis共六部分（圖2）?。

圖1?基本翼箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2?次結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)各部分的質(zhì)量分配公式計算各部分的質(zhì)量，將上述各部分所計算得到的質(zhì)量相加，即可得到整個機翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量?？紤]到計算精度，需要對于各部分進(jìn)行修正計算，最后得到修正后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。采用有修正系數(shù)的質(zhì)量分配方法計算比較快速，結(jié)果比較準(zhǔn)確，提高了在飛機機翼設(shè)計時機翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的準(zhǔn)確性。

3.結(jié)語

在飛機設(shè)計發(fā)展的不同階段，產(chǎn)生了不同了設(shè)計方法，相應(yīng)的，作為飛機設(shè)計中重要的組成部分的飛機機翼設(shè)計的方法也在不斷創(chuàng)新。由最早的經(jīng)驗公式分析法、工程梁分析法到有限元法和修正帶分配模型法，各一種方法均有一定的代表性，經(jīng)驗公式法和工程梁法成型較早、方法比較成熟，但是對于新時代一些新材質(zhì)、新造型的一些飛機確不適用，有限元法和修正的分配模型法雖然起步較晚，但是與科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，可以很好解決上述問題。因此要總結(jié)各個方法的長處，通過對各種方法的探討，分析個方法的適用性，以便更好的適用于當(dāng)前飛機機翼結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳斌.基于數(shù)學(xué)規(guī)劃法的飛機機翼結(jié)構(gòu)分層次優(yōu)化設(shè)計方法研究[J]，飛機設(shè)計，2012（4）