基于仿生学理论的机翼结构布局设计

陈志超，詹家礼， 周 斌， 孙 鹏

（1.中国民用航空飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307；2.桂林航天工业学院 机械工程系，广西 桂林 541004）

基于仿生学理论的机翼结构布局设计

陈志超1，詹家礼2， 周 斌1， 孙 鹏1

（1.中国民用航空飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307；2.桂林航天工业学院 机械工程系，广西 桂林 541004）

探讨了鱼骨，树叶，羽毛的生物骨架，借助仿生学理论，对大展弦比机翼进行了结构布局设计。通过有限元模型，分别对机翼挠度，强度，扭转角进行校核，证明了仿生机翼是满足设计要求的。

生物骨架；仿生学；大展弦比；结构布局

0 引言

对于飞机设计师而言，结构减重是一个永恒的追求目标，因为越轻的结构重量意味着更大的航程和更低的油耗，当然前提是必须保证飞机的适航性。

机翼承受自重和气动力，由蒙皮、翼梁、墙和翼肋通过接头传递给机身，翼梁主要承受弯矩、墙、翼肋主要承受扭矩。为了提高飞机的升阻比，就需要研究机翼的轻量化结构布局型式。仿生学为这一课题提供了新的思路。

1 仿生机翼的设计方法

众所周知，物竞天择，适者生存是大自然的基本法则。经过数百万年的进化，无论鱼骨的形状，鸟羽毛的自然走向，还是树叶的叶脉分布，均是适应外界环境的结果[1]。

从图1可见，鱼骨的分布显示了鱼在水中游动时的鱼骨架的传力路径；图1也可见，树叶的叶脉走向显示了树叶在风雨吹淋中的传力路径。

这些自然界中的“生物骨架”， 设计之巧妙，为工程师们提供了源源不断的设计灵感。岑海堂等[2]参考竹干的细观特征，模仿设计了仿竹翼身结合框，结构效能得到明显改善。侯宇等[3]通过对鸟类飞行参数的统计分析，拟合出扑翼飞行的仿生学公式，设计并制作了仿生扑翼飞行器。

本文将利用鱼骨，叶脉和鸟羽毛所具有相似的形状与分布这一特点，开展基于仿生理论的机翼结构布局设计。

图1 鱼骨分布与树叶叶脉走向Fig.1 Distribution of fish bones and veins of leaves

2 仿生机翼的设计要求

从图1中，可见叶脉最主要结构特征是倾斜、交错、分叉，并且尺寸沿轴线逐渐减小。叶脉沿中肋交错分布，适应不同部位应力分布特点。文献[4]中指出中肋两侧的一阶叶脉，一般相对中肋倾斜30°～50°。本文设定翼肋倾斜45°，让翼肋不再仅仅维形和承受扭矩，而且还要承受一定弯矩。针对大展弦比机翼受载情况，本文提出以下设计要求：机翼展弦比A＞6，本文定义A＝8，其中弦长 C＝1000mm，半展长 b＝8000mm；翼载荷W/S＝6000Pa；翼型自选。本文采用DF101翼型；材料自选。本文采用铝合金，其弹性模量 70Gpa，泊松比0.3，密度2700kg/m3。

强度约束满足相应的强度指标，位移约束满足翼尖挠度变形＜0.1倍的机翼半展长，翼尖扭转角＜2°。因为本文机翼半展长为8000mm,所以翼尖挠度变形＜800mm。

3 仿生机翼的有限元建模

在MSC.PATRAN中建立有限元模型，首先建立翼梁几何模型。本文采用三梁式机翼，前梁设在x＝70mm，中梁在x＝370mm处，后梁在x＝650mm处，且翼肋倾斜45°，让翼肋同时承受扭矩和弯矩。

图2 机翼结构线框图Fig.2 The wireframe of wing structures

4 定义材料属性和加载

在进行机翼结构有限元分析时，需要对实际的复杂机翼结构进行合理的模型简化。梁和翼肋是复杂的三维薄壁结构，一般把梁和翼肋看成是由缘条和腹板组成，将缘条离散为杆元或梁元，腹板离散为二维平面应力板元。蒙皮离散为二维平面应力板元。蒙皮、梁和翼肋的腹板采用壳元模拟。壳元包括QUAD4和TRIA3，其中TRIA3单元对结构形状适应性强，但QUAD4单元计算精度高。本文采用QUAD4等参数元，提高计算精度。长桁、梁和翼肋的缘条采用杆元或梁元来模拟。杆元BAR又称为常截面弯曲梁单元，梁元BEAM又称为变截面弯曲梁单元。从名字可以看出，杆元BAR的截面形状比较固定，是圆形平面，其截面形状参数为截面面积；梁元BEAM的截面形状较多，其截面形状参数较复杂，但能更好的反映实际的长桁、梁和翼肋的缘条的截面形状。

本文选择QUAD4壳元模拟蒙皮、梁和肋的腹板，采用杆元BAR模型梁和肋的缘条，本文没有布置长桁，故没有模拟。分别将shangmengpi、xiamengpi、yiliang、 yile组中的所有平面定义为 2D－shell单元，厚度为5mm，材料为铝合金，将翼肋缘条和梁缘条分别定义为1D－BAR单元，面积150mm2，如表1所示。

表1 有限元单元属性Tab.1 Finite Element Cell properties

翼盒作为外翼结构中最主要的承力部件，对整个机翼有着重要的影响。翼盒前端连接固定前缘和前缘缝翼，后端连接副翼襟翼和扰流板，下端连接发动机吊挂和起落架 飞机运营过程中所有工作情况下的载荷都是会传递到翼盒上。因此本文将机翼根部固支，在机翼下表面加面载荷为0.006Mpa。

图3 边界条件与载荷Fig.3 The boundary conditions and loading

5 分析得到强度分析结果

由图4可见翼尖最大位移781mm＜800mm，满足机翼挠度约束。

图4 翼尖挠度变形图Fig.4 Aircraft wing tip deflection diagram

由图5可见，机翼最大应力在翼根处，且机翼最大应力420MPa小于材料的应力强度极限425Mpa，满足强度要求。

由图6可见，机翼的扭转角为 （17.3mm＋16.2mm）/ 1000mm＝0.0335rad＝1.83°＜2°，满足机翼扭转角度要求

6 结束语

本文将自然界中的生物骨架特征引入到机翼结构布局设计中，将翼肋斜置45°，让翼肋不仅仅承受扭矩，也与翼梁一起承受弯矩。

植物叶片结构与大展弦比机翼在受力特性、约束条件、承力品质几方面具有相似性。这种翼肋的适当倾斜对飞机刚度，强度有利。

本文针对大展弦比机翼设计要求，模仿鱼骨，树叶，羽毛等生物结构，对机翼结构布局进行了仿生设计，并通过在MSC.PATRAN中建立有限元模型，验证了该机翼挠度，强度，扭转角都满足了设计要求。

图5 机翼应力分布云图Fig.5 Wing stress contours

图6 机翼弦向位移分布图Fig.6 Wing chord displacement contours

[1]邓扬晨，陈华.基于仿生的大展弦比直机翼结构布局形式研究[J].航空计算技术，2007，2.

[2]岑海堂，陈五一，喻懋林，等.翼身结合框结构仿生设计[J].北京航空航天大学学报，2005，1.

[3]张明伟，方宗德，周凯.微扑翼飞行器的仿生结构研究[J].机床与液压，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

陈志超（1985-），男，四川南充人，硕士，助教，从事飞机结构设计与维修方面的研究。