几何扭转的无人机机翼复合材料结构设计

几何扭转的无人机机翼复合材料结构设计 几何扭转的无人机机翼复合材料结构设计2010年1月 几何扭转的无人机机翼复合材料结构设计 张元明,赵鹏飞,刘斌 (西北工业大学第365研究所,西安710065) 摘要:具有几何扭转的无人机机翼其机翼外形是复杂的扭曲面,给制造特别是装配 协调带来难度.文中介绍了针对几何 人机机翼的复合材料结构设计,采用巧妙的工艺设计思想,利用复合材料扭转的无 共固化翼面结构将复杂扭曲面的协调装配 简化,从而解决了几何扭转的无人机机翼的低成本制造问题.针对某型无人机所设 计的几何扭转机翼已经取得成功应用. 关键词:机翼;几何扭转;复合材料;共固化;工艺设计 中图分类号:V279文献标识码:A文章编号:1003—0999(2010)01—0060—03 复合材料以其比强度高,比刚度大,成型工艺性 好及其材料的可设计性等优良特性,在小型无人驾 驶飞机的结构中获得了成功地应用,甚至成为了小 型无人机的主体材料.显然,复合材料优良的性能, 显着的减重效益及良好的成型工艺性,为无人机减 轻重量和降低成本提供了更大的可能性?]. 在无人机的不断发展中,基于不同无人机系统 的设计要求,发展出诸多无人机的复合材料结构形 式,特别是作为无人机主要承力部件的机翼结 构J.近年来,无论在国内还是国外,无人机系统 均呈现出飞速发展的态势,其功能已经从战略战术 侦察向作战方向发展J,无人机系统的性能也在不 断地提高.因此,基于高性能设计要求的无人机机 翼外形也越来越趋于复杂,与此相应的机翼结构的 复杂度也越来越高. l几何扭转的机翼外形 在飞机总体布局中,确定机翼平面几何特征的 有几个重要参数:后掠角,上反角,扭转角和安装 角J,具体定义如图1所示. 图1机翼几何参数图示 图1中,角度A是后掠角,定义为机翼四分之 一 弦线与飞机对称平面之间的夹角;角度B为安装 角,定义为机翼翼根弦线与飞机水平面之间的夹角; 角度c为扭转角,定义为机翼翼尖弦线相对于机翼 翼根弦线之间的夹角;角度D为上反角,定义为机 翼后缘线与飞机水平面之间的夹角.. 机翼外形是一种流线型的曲面,一般是通过从 机翼根部翼型向机翼尖部翼型沿等百分比拉直纹面 的形式来构造.从图1中可直观地看出,后掠角,上 反角和安装角均不会造成机翼外形的曲率维数的变 化,即仅有后掠角,上反角和安装角的存在,其机翼 的外形是单曲率的,而扭转角则使得机翼的外形变 成双曲率的.具有扭转角的机翼被称为几何扭转的 机翼. 在小型无人机机翼外形设计时,考虑到机翼结 构制造的工艺性,一般情况下是不采用几何扭转的 机翼外形,只有在特殊需要时才设置机翼扭转角. 具有几何扭转的机翼外形仍是通过从机翼根部翼型 向机翼尖部翼型沿等百分比拉直纹面的形式来 构造. 2几何扭转的机翼结构 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 小型无人机的机翼结构形式主要有夹层板梁式 结构,夹层壁板墙式结构,全高度泡沫夹芯结构,蒙 皮空腔结构和夹层盒结构等J.通常情况下,除了 载荷较小的机翼结构外,大部分的机翼结构内部均 有纵向和横向构件,即机翼的梁(或墙)和肋,它们 与机翼的蒙皮组成承力盒段,承受着机翼升力所产 生的剪力,弯矩和扭矩,图2所示为典型的梁式结构 剖面. 收稿日期:2009-08—17 作者简介:张元明(1964一),硕士,研究员,主要从事无人机设计和复合材料结构方 面的研究. 2010年第1期玻璃钢/复合材料61 图2无人机机翼典型梁式结构 对于没有扭转角的无人机机翼结构来说,纵向 构件一般是沿弦线的等百分线安置,横向构件一般 是沿翼弦线方向安置,这样设计的纵向构件(梁或 墙)和横向构件(肋)与翼面协调的外形均为一维曲 率,构造简单,制造工艺性良好. 对于几何扭转的机翼外形,结构就变得比较复 杂.由于机翼外形是扭曲面,不仅其蒙皮是扭曲面, 且其内部构件如梁肋与蒙皮协调的外形也是扭曲面 的,因此导致了蒙皮和内部构件等零件制造的复杂 性和总装协调的困难. 3机翼结构设计 针对某型无人机具有几何扭转的机翼结构,从 结构设计,强度校核和工艺性方面进行了分析,设计 中重点解决几何扭转带来的制造工艺性问题. 3.1结构设计 影响机翼结构布局的参数主要有两个:载荷系 数K和翼面相对厚度C(或结构有效高度).综 合考虑本机翼的结构有效高度,机翼根部的载荷系 数以及机翼内部装载等因素,选择双梁式结构型式. 这种双梁式结构型式对结构有效高度大,载荷系数 相对高的机翼是非常有利的,而且可提供较大的内 部装载空间,还适合于设计用于内部载荷拆卸的非 受力口盖. 机翼结构如图3所示.主体结构是由上下蒙皮 和内部骨架组成.主翼盒是双梁式结构.前梁布置 在弦长约18%处,后梁布置在弦长约55%处.机翼 结构的纵向构件有前梁,后梁和墙,横向构件是肋. 图3机翼结构示意 机翼上下蒙皮采用蜂窝夹层结构,承受面内载 荷和翼面气动力等.利用夹层结构良好的抗弯刚 度来提高板元的稳定性,可以很好地协调其失稳 I临界应力水平和静强度许用应力水平. 3.2结构静力分析 采用复合材料结构分析与优化设计系统COM— PASS对本设计方案进行了结构静力分析. 用COMPASS系统的快速建模软件QuickFEM生 成机翼结构有限元计算模型.节点载荷由Qfemqd程 序完成,并生成COMPASS需要的载荷文件. 计算结果显示,机翼结构翼尖最大位移为50.8 mm,满足结构刚度设计要求;机翼结构应变最大值 为1000,低于结构应变设计许用值,满足结构强度 设计要求. 图4和图5分别显示了计算结果. MSCP酣200S2?c}邶l92221 0目bcEssss嘶csubcnseDIsd6啦meT咖lalmnedINON{^YEREDl J<乏defautt+D.e.for.matlo.a. 图4结构变形计算结果 ?SCPat,~200S2}0d埘1721:53 Fnngo—c^SE8s8c,scs曲…SlmJnTonsor0ef Defoe:CASEs疆SC2SC2,~:51mcs,A印}…Tr6^0?叫 defauFringe 图5结构应变计算结果 3.3工艺性设计 如前所述,机翼的几何扭转使得机翼的外形成为 扭曲面,这将给零部件的成型特别是装配协调带来较 大的困难.若采用传统的大飞机制造的型架定位装配 工艺技术,会给无人机带来较大的制造成本,这是不符 合小型无人驾驶飞机低成本的设计思想的. 为了降低制造工艺特别是装配工艺的复杂性,在 机翼结构中设计了复合材料共固化翼面结构,将梁缘 ?瓣g黼崩??0g一瓣《瓣m…?《m??搿l 62几何扭转的无人机机翼复合材料结构设计2010年1月 条,肋缘条与夹层结构蒙皮共固化成型.即结构设计 中,不采用传统的梁与蒙皮之间设计工艺分离面的形 '式,而是将工艺分离面设计在梁缘条与梁腹板之间. 这样就先将梁缘条与蒙皮共固化成型,之后合拢时再 将梁腹板与梁缘条装配连接,如图6所示. 结构中梁缘条采用厚度为4mm的玻璃钢层压 板,肋缘条采用厚度为1.5mm的玻璃钢层压板.针 对扭曲面外形特点,在设计时采用缘条与蒙皮之间 填充短纤维环氧胶的方法来解决复杂工艺面的问 题,也就是说,在保证梁缘条的内型面为平面的条件 下,缘条外平面与双曲面蒙皮之间填充短纤维环氧 胶.显然,如此设计的结构,其装配协调面(即缘条 内型面和腹板之间)演化为平面,解决了几何扭转 曲面带来的装配问题,降低了无人机的制造成本. 前梁缘条后梁缘条 图6复合材料共固化翼面结构不蒽 基于上述设计,采用湿法成型方法制造复合材 料共固化翼面结构.工艺方法为:成型模具采用阴 模,梁缘条通过多点定位来保证其位置和内型面,肋 缘条通过定位条来确定.具体的实施流程为:在准 备好的阴模上,先铺迭外蒙皮;之后通过假梁,假肋工 装定位制作梁槽【8J,同时铺上蜂窝夹层;然后取出假梁 和假肋工装;在梁槽和肋槽内灌入适量短纤维胶,之后 在上面放置梁缘条和肋缘条;最后用工装对梁缘条和 肋缘条定位,进入后续加压和固化的程序. 3.4设计结果 上述针对某型无人机的具有几何扭转特征的机 翼所设计的复合材料结构已经成功地完成了制造, 其制造工艺性良好,降低了产品制造成本.此型无 人机已经完成了静力强度试验和飞行试验,所有指 标均满足设计要求. 4结论 (1)具有几何扭转特征的无人机机翼,其外形 的复杂扭曲增加了制造特别是装配协调的难度; (2)采用复合材料共固化翼面结构,并将工艺 分离面设计在缘条和腹板之间,利用巧妙的工艺性 设计,将具有扭曲特征的协调面演变为平面协调面, 解决了复杂曲面的制造协调问题. 参考文献 [1]张元明,赵鹏飞.低速小型无人机中的复合材料结构及分析 [J].玻璃钢/复合材料,2003,(6):36-39. [2]张元明,赵鹏飞.玻璃钢蒙皮/全腔填充泡沫塑料夹芯结构机翼 设计[J].玻璃钢/复合材料,2003,(1):17-20. [3]ZhangYuanming,ZhaoPengfei.DesignandManufactureofFRP FoamSandwichStructureWingforaUAV.18BristolInternational UAVSystemsConferencefC].Bristol:theU.K.UniversityofBris- to1,2003. [4]沈军,谢怀勤.航空用复合材料的研究与应用进展[J].玻璃钢/ 复合材料,2006年,(5):48-54. [5]刘可俭等.美国未来作战系统[M].北京:解放军出版社,2006. [6]顾诵芬等.飞机总体设计[M].北京:北京航空航天大学出版 社,2001. [7]刘润泉,石勇等.夹层复合材料的弯曲理论分析与计算方法研究 [J].玻璃钢/复合材料,2006,(6):6_9. [8]何颖,蔡闻峰,赵鹏飞.无人机复合材料构件整体辅助定位工装 的制作技术[J].玻璃钢/复合材料,2006,(4):44-45. COMPOSITESTRUCTUREDESIGNOFGEOMETRICTWISTWINGFORUAV ZHANGYuan—ming,ZHAOPeng-fei,LIUBin (No.365Institute,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'an710065,China) Abstract:Theexteriorofgeometrictwistwingiscontorted,SOthemanufactureofthiswingisdifficult.Itisin— troducedthecompositestructuredesignofgeometrictwistwingforUAVinthispaper.n1etechnologicaldesignis skillfulthatitisjointlysolidifycompositestructurecomprisedsandwichconstructionandsparcaps,andthenitis predigestedtheassemblyharmonyofpartsofwing.ThisdesignhasbeenappliedinaUAVsuccessfully.andthe effectisallright. Keywords:wing;geometrictwist;composite;jointlysolidify;technologicaldesign