一種變形襟翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭仕賢

【摘 要】本文描述了一種變形襟翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析。不同于傳統(tǒng)連接在機(jī)翼固定后緣上的剛性襟翼，變形襟翼主要由三個(gè)組件組成，主要包括帶加強(qiáng)長桁的柔性上下蒙皮，帶扭曲盤的曲梁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及扭曲盤與扭曲長桁的連接結(jié)構(gòu)。本文主要介紹了曲梁、扭曲盤、扭曲長桁和盤與長桁的連接設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】變形襟翼；曲梁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；扭曲盤

1 研究背景

在各種類型的交通方式中，航空旅行持續(xù)不斷的高速增長。不斷增加的燃油費(fèi)用和航空發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣對(duì)全球環(huán)境的潛在影響推動(dòng)工業(yè)界尋求減少碳排放的解決方案。為了減少燃油費(fèi)用和降低產(chǎn)品運(yùn)營成本，飛機(jī)制造商需要生產(chǎn)高性能，高效率，低成本同時(shí)對(duì)環(huán)境影響更小的飛機(jī)。歐洲委員會(huì)在《展望2020報(bào)告》[1]中提出了嚴(yán)苛的要求，包含在未來幾十年內(nèi)不斷減少二氧化碳、二氧化氮的排放并且降低飛機(jī)噪音。

在過去幾十年，盡管飛機(jī)的性能和功能在不斷的改善，然而現(xiàn)代飛機(jī)總的來講仍然與幾十年前的老飛機(jī)非常相似。操作空機(jī)重量（OEW）與最大起飛重量（MTOW）的比率被作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)效率的指數(shù)。Babikian et al在[2]中指出這些參數(shù)在過去的50年里并沒有太大的改變，見圖1。此外，在做了很多的研究工作后，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念和方法幾乎都已經(jīng)達(dá)到了優(yōu)化的極限。由于這些原因，現(xiàn)在的技術(shù)不能滿足為未來幾十年設(shè)定的高性能和高要求的目標(biāo)。

一種創(chuàng)新的并且非常有前途的解決方案就是變形技術(shù)。變形技術(shù)可以定義為飛機(jī)具有在一定的驅(qū)動(dòng)下可以連續(xù)改變形狀的能力。變形技術(shù)的使用將使得機(jī)翼能夠光滑的改變形狀，在不同的飛行階段獲得近似優(yōu)化的升阻力包線，并因此降低油耗，降低噪音，減少碳排放。

2 變形結(jié)構(gòu)的概念

變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)由于一些相互矛盾的要求有很大的挑戰(zhàn)。比如從結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來看，變形襟翼應(yīng)該有很大的柔性以便改變蒙皮形狀，但是同時(shí)需要有足夠的剛度來承受氣動(dòng)載荷。

2.1 曲梁概念

這個(gè)概念包含一個(gè)水平放置在襟翼后緣的由旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的曲梁和盤。由于曲梁通過盤連接到襟翼的上下蒙皮，它的旋轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)襟翼蒙皮的變形。圖2示出了曲梁和盤的結(jié)構(gòu)示意。

這個(gè)概念可能看起來非常簡單，然而這個(gè)概念的難點(diǎn)在于如何使它正常運(yùn)動(dòng)。因?yàn)楸P與變形蒙皮的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在曲梁轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與襟翼蒙皮接觸的點(diǎn)始終是盤的垂直極限點(diǎn)。在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，盤上的垂直極限點(diǎn)除了有垂向的運(yùn)動(dòng)以外，還有水平方向的運(yùn)動(dòng)。

如圖3，當(dāng)盤的平面垂直于曲梁時(shí)，褐色的梁和盤處在0°位置，綠色的線是通過垂直極限點(diǎn)的盤的直徑。黃色的梁和盤處在90°位置，黃色的線是通過垂向極限點(diǎn)的盤的直徑。從圖中可以看出盤上半部分的垂向極限點(diǎn)往后運(yùn)動(dòng)而下半部分的垂向極限點(diǎn)往前運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于小的偏轉(zhuǎn)，蒙皮上的點(diǎn)可以近似看成是繞后緣上的點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。上粉色曲線繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，而下粉色曲線繞B點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。圖4中粉色的曲線是變形前的襟翼外形，綠色的曲線是變形后的襟翼外形，白色的曲線是后緣點(diǎn)的軌跡。上下蒙皮都往前運(yùn)動(dòng)，但是上蒙皮的位移比下蒙皮多。因此，當(dāng)蒙皮向下變形時(shí)，固定在上蒙皮上的點(diǎn)將向前運(yùn)動(dòng)而在下蒙皮上的點(diǎn)將會(huì)相對(duì)的向后移動(dòng)。由于這個(gè)原因，垂直于曲梁的盤將會(huì)導(dǎo)致蒙皮與盤的相對(duì)滑動(dòng)。

2.2 扭曲盤概念

該設(shè)計(jì)使得盤扭曲并保持盤垂直于長桁軸線，這樣在任何時(shí)候，盤能夠隨著長桁運(yùn)動(dòng)。圖5給出了一個(gè)圓盤與扭曲盤的結(jié)構(gòu)對(duì)比。該設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)在于需要找出扭曲盤的正確形狀。

3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 輸入?yún)?shù)

本文取NACA4412翼型為例來研究，取弦長為1200mm，展長為500mm，變形部分從弦長50%處開始直到翼型尾緣。

3.2 曲梁曲率公式

本文中梁的曲率公式用于給出梁的形狀并控制蒙皮的變形。基于3.1節(jié)中的尺寸及以下兩個(gè)假設(shè)：

1）襟翼尾緣最大變形角θmax等于10°

2）梁的公式與懸臂梁在分布式載荷作用下的位移類似。

3.3 梁的旋轉(zhuǎn)軸

梁的旋轉(zhuǎn)軸是曲梁的旋轉(zhuǎn)中心。軸是由變形襟翼的中弦的前點(diǎn)和后點(diǎn)的連線創(chuàng)建。在圖7中建立了一個(gè)坐標(biāo)系，x為弦向，y為展向，z為垂向。

3.4 曲梁

在CATIA中生成曲梁后，以10°為步長，將曲梁繞旋轉(zhuǎn)軸從0°旋轉(zhuǎn)到90°，得到曲梁在運(yùn)動(dòng)中的十個(gè)不同狀態(tài)。

3.5 蒙皮與長桁的運(yùn)動(dòng)

變形蒙皮的偏轉(zhuǎn)與梁的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)，在此做出了上下蒙皮從0°到90°之間的十個(gè)狀態(tài)，代表蒙皮形狀的十條曲線在CATIA以平行曲線功能■使用法則創(chuàng)建。

在圖9中，每一種顏色代表上下蒙皮在同一個(gè)位置的狀態(tài)。比如，兩條黃色的線代表上下蒙皮在10°偏轉(zhuǎn)角時(shí)的位置。長桁用來增強(qiáng)蒙皮的剛度同時(shí)連接扭曲盤使得扭曲盤能在長桁上滑動(dòng)。長桁截面選用I型截面，并假定有固定的腹板高度。

需要注意的是，沿著展向來看，蒙皮與盤的角度在持續(xù)斷改變。這意味著盤的運(yùn)動(dòng)并不是直線運(yùn)動(dòng)。解決方案是采用連續(xù)改變截面形狀的扭曲長桁，以保證扭曲盤與長桁緣條垂直。在梁旋轉(zhuǎn)時(shí)盤沿著y方向滑動(dòng)，在不同旋轉(zhuǎn)角度下的長桁截面可知?？紤]到長桁腹板總是垂直于蒙皮，而長桁的緣條垂直于盤的半徑，因此在每一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度下的腹板與盤的角度可知。

3.6 扭曲盤

通過以上創(chuàng)建點(diǎn)建立十條穿過這些點(diǎn)并與y軸平行的線，并編號(hào)為L0u到L9u，見圖14。

圖15的連線顯示了長桁與梁的不同連接狀態(tài)，長桁與盤的角度在不斷變化。梁上的點(diǎn)在yz平面以圓為軌跡運(yùn)動(dòng)，在xz平面梁上的點(diǎn)的投影沿直線運(yùn)動(dòng)。而蒙皮上的點(diǎn)在xz平面內(nèi)以圓為軌跡運(yùn)動(dòng)，這將導(dǎo)致盤的扭曲。下長桁與盤的連接類似。在所有長桁與梁的連接創(chuàng)建好之后，下一步就是將它們旋轉(zhuǎn)回初始位置來創(chuàng)建盤。比如，10°轉(zhuǎn)角的連接線應(yīng)該繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)-10°到初始位置。建好的盤如圖16。

3.7 曲梁機(jī)構(gòu)

要將長桁與盤連接起來，需要設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)來允許它們之間的滑動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，示意圖見圖17。兩個(gè)C型結(jié)構(gòu)各有兩個(gè)滾輪。為了能夠正常工作，盤也需要有緣條用來與長桁連接。

以上描述的C型結(jié)構(gòu)在二維情況下解決了問題，然而三維情況要更為復(fù)雜。C型結(jié)構(gòu)連接扭曲長桁與扭曲盤，因此它也是扭曲的。然而，C型連接結(jié)構(gòu)自身沒有固定，它不能承受沿X方向的載荷。為了解決這個(gè)問題，C型結(jié)構(gòu)需要加長才有空間連接在一起，同時(shí)沒有在長桁上或者盤上打任何孔，見圖18。兩個(gè)C型結(jié)構(gòu)以螺栓連接。

3.8 在開口后緣處的滑動(dòng)連接

在后緣上下蒙皮之間沿著x方向有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，圖19表示了一種可能實(shí)現(xiàn)在襟翼后緣滑動(dòng)連接的解決方案。上下蒙皮后緣采用楔形塊結(jié)構(gòu)，在下蒙皮布置一個(gè)帶緣條的圓柱，而在上蒙皮上開槽，因此當(dāng)上下蒙皮滑動(dòng)時(shí)，滑軌與圓柱緣條仍然能夠連接在一起，避免垂直方向的運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)論

本文基于前人對(duì)曲梁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及變形襟翼設(shè)計(jì)的研究。主要貢獻(xiàn)在于曲梁機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，尤其是盤的形狀設(shè)計(jì)，以滿足特定的變形襟翼的形狀要求。詳細(xì)設(shè)計(jì)了曲梁機(jī)構(gòu)中的每個(gè)零件，包括曲梁和扭曲盤。梁的曲率，盤的安裝角度和扭曲形狀都是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)。襟翼變形形狀可以通過對(duì)以上機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]Perera， M. and Guo， S.， Optimal design of an aeroelastic wing structure with seamless control surfaces，2009.

[4]Lemoine， P. and Guo， S.， Design of an actuation mechanism for a seamless aeroelastic wing / P. Lemoine，2008.

[責(zé)任編輯：湯靜]