[科普中國]-機翼模型

機翼

機翼是飛機的重要部件之一，安裝在機身上。其最主要作用是產(chǎn)生升力，同時也可以在機翼內(nèi)部置彈藥倉和油箱，在飛行中可以收藏起落架。另外，在機翼上還安裝有改善起飛和著陸性能的襟翼和用于飛機橫向操縱的副翼，有的還在機翼前緣裝有縫翼等增加升力的裝置。

機翼的作用是產(chǎn)生升力，以支持飛機在空中飛行。它還起一定的穩(wěn)定和操縱作用。機翼的平面形狀多種多樣，常用的有矩形翼、梯形翼、后掠翼、三角翼、雙三角翼、箭形翼、邊條翼等?，F(xiàn)代飛機一般都是單翼機，但歷史上也曾流行過雙翼機(兩副機翼上下重疊)、三翼機和多翼機。 根據(jù)單翼機的機翼與機身的連接方式，可分為下單翼、中單翼、上單翼和傘式上單翼(即機翼在機身的上方，由一組撐桿將機翼和機身連接在一起)。

機翼模型結(jié)構(gòu)設(shè)計先進復(fù)合材料(Advanced Composite Materials , ACM)具有比強度比模量高、可設(shè)計性強、抗疲勞性能好、耐腐蝕性能優(yōu)越以及便于大面積整體成型等顯著優(yōu)點，在飛機上已獲得大量應(yīng)用?，F(xiàn)在，新型復(fù)合材料層出不窮，對新型復(fù)合材料性能和相應(yīng)制造技術(shù)的研究顯得非常重要。胡江波針對給定外形的機翼模型和加載方式，選擇合適的機翼結(jié)構(gòu)方案，探索研究相關(guān)成形工藝，制造出具有高載荷質(zhì)量比的機翼。

機翼模型外形尺寸確定，機翼內(nèi)部布局形式是決定機翼承載能力的重要因素?，F(xiàn)考慮3種機翼布局形式：直梁式、厚蒙皮式和泡沫夾芯式。

機翼模型由具有錐形截面的左右兩部分及翼梢小翼組成，尺寸約為110mm x 920mm，具體尺寸如圖所示。機翼的左右兩部分完全一樣，翼梢小翼在兩端對稱相反分布。機翼兩部分均為平面，組合后下表面為平面，后緣在同一條直線上。

胡江波等采用ABAQUS有限元分析軟件中基于Hashin理論的纖維增強復(fù)合材料失效準則以及損傷擴展分析方法，對機翼模型進行強度校核分析。3種機翼結(jié)構(gòu)布局形式機翼有限元模擬計算結(jié)果如圖所示。由圖可知，直梁式機翼的載荷質(zhì)量比最大，但質(zhì)量最重；泡沫夾芯式機翼質(zhì)量最輕，但其載荷質(zhì)量比比直梁式機翼略小。1

機翼模型氣動特性分析從上世紀初，人們就開始對結(jié)構(gòu)的氣動彈性過程進行有目的的研究，學者Theodorsen等空氣動力學先驅(qū)基于對二維振動平板的非定常氣動力的研究，得到了第一批用來發(fā)展理論基礎(chǔ)的理論公式。 1935年Theodorsen發(fā)表了著名的薄翼在非壓縮流中的非定常氣動力表達式，即Theodorsen函數(shù)。這個表達式一直在航空動力學領(lǐng)域沿用至今。Theodorsen氣動力理論適用于二維無限長薄翼(理想平板)結(jié)構(gòu)，是采用片條理論求解結(jié)構(gòu)由簡諧振動引起的非定常氣動力的基礎(chǔ)。

隨著上世紀末期以及本世紀初計算流體動力學(CFD)的興起，越來越多的學者開始采用數(shù)值方法來研究結(jié)構(gòu)的氣動特性。其中比較著名的是Larsen的discretevortex方法，此外還有Sun等的分塊迭代(block-iterative)方法。Naca0012機翼模型是一種經(jīng)典的飛機機翼模型，LeMaitre等曾利用數(shù)值方法對該模型進行了不同Re數(shù)條件下的模擬，以及對其0°攻角條件下的氣動特性分析，取得了一定進展。

白瑜光等利用網(wǎng)格控制算法建立了Naca0012模型的流場-結(jié)構(gòu)模型,在自主研制的小型并行計算集群上進行了多種條件下該模型的氣動特性分析。首先，計算了多攻角下機翼模型的氣動力系數(shù)，并與理論值進行對比，取得了較好結(jié)果；然后計算小振幅條件下機翼模型的氣動導(dǎo)數(shù)，并與Theodorsen平板理論值進行對比；最后，通過計算多種振幅條件下機翼模型的氣動導(dǎo)數(shù)，探討理論值的有效性以及研究氣動導(dǎo)數(shù)隨振幅變化而變化的情況。2