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大展弦比机翼结构整体刚度设计方法研究.pdf

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展弦比 机翼 结构 整体 刚度 设计 方法 研究
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中 图 分 类 号 : V224 论 文 编 号 : 10006ZY11DF122 专 业 硕 士 学 位 论 文 大 展 弦 比 机 翼 结 构 整 体 刚 度 设 计 方 法 研 究 作 者 姓 名 赵 嘉 俊 学 科 专 业 航 空 工 程 指 导 教 师 何 景 武 教 授 培 养 学 院 大 飞 机 班 Research on Design Method of Global Stiffness for High Aspect Ratio Wing A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate: Zhao Jiajun Supervisor: Prof. He Jingwu School of Large Aircraft Beihang University, Beijing, China 中 图 分 类 号 : V224 论 文 编 号 : 10006ZY11DF122 硕 士 学 位 论 文 大 展 弦 比 机 翼 结 构 整 体 刚 度 设 计 方 法 研 究 作 者 姓 名 赵 嘉 俊 申 请 学 位 级 别 全 日 制 工 程 硕 士 指 导 教 师 姓 名 何 景 武 职 称 教 授 学 科 专 业 航 空 工 程 研 究 方 向 飞 行 器 结 构 设 计 学 习 时 间 自 2011年 9 月 10 日 起 至 2013 年 12 月 15 日 止 论 文 提 交 日 期 2013年 12 月 08日 论 文 答 辩 日 期 2013年 12 月 14 日 学 位 授 予 单 位 北 京 航 空 航 天 大 学 学 位 授 予 日 期 年 月 日 大展弦比机翼结构整体刚度设计方法研究赵嘉俊北京航空航天大学二〇一三年关 于 学 位 论 文 的 独 创 性 声 明 本 人 郑 重 声 明 : 所 呈 交 的 论 文 是 本 人 在 指 导 教 师 指 导 下 独 立 进 行 研 究 工 作 所 取 得 的成 果 , 论 文 中 有 关 资 料 和 数 据 是 实 事 求 是 的 。 尽 我 所 知 , 除 文 中 已 经 加 以 标 注 和 致 谢 外 ,本 论 文 不 包 含 其 他 人 已 经 发 表 或 撰 写 的 研 究 成 果 , 也 不 包 含 本 人 或 他 人 为 获 得 北 京 航 空航 天 大 学 或 其 它 教 育 机 构 的 学 位 或 学 历 证 书 而 使 用 过 的 材 料 。 与 我 一 同 工 作 的 同 志 对 研究 所 做 的 任 何 贡 献 均 已 在 论 文 中 作 出 了 明 确 的 说 明 。 若 有 不 实 之 处 , 本 人 愿 意 承 担 相 关 法 律 责 任 。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 日 期 : 年 月 日 学 位 论 文 使 用 授 权 书 本 人 完 全 同 意 北 京 航 空 航 天 大 学 有 权 使 用 本 学 位 论 文 ( 包 括 但 不 限 于 其 印 刷 版 和 电子 版 ) , 使 用 方 式 包 括 但 不 限 于 : 保 留 学 位 论 文 , 按 规 定 向 国 家 有 关 部 门 ( 机 构 ) 送 交学 位 论 文 , 以 学 术 交 流 为 目 的 赠 送 和 交 换 学 位 论 文 , 允 许 学 位 论 文 被 查 阅 、 借 阅 和 复 印 ,将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 , 采 用 影 印 、 缩 印 或 其 他 复 制 手段 保 存 学 位 论 文 。 保 密 学 位 论 文 在 解 密 后 的 使 用 授 权 同 上 。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 日 期 : 年 月 日 指 导 教 师 签 名 : 日 期 : 年 月 日 I 摘 要 大 展 弦 比 机 翼 结 构 的 整 体 刚 度 分 布 对 飞 机 的 性 能 影 响 显 著 , 是 机 翼 结 构 的 重 要 设 计参 数 , 它 主 要 包 括 机 翼 结 构 的 垂 直 弯 曲 刚 度 、 水 平 弯 曲 刚 度 以 及 扭 转 刚 度 。 在 机 翼 结 构 的 总 体 设 计 中 , 传 统 的 设 计 方 法 是 从 强 度 要 求 出 发 , 先 按 照 设 计 经 验 进行 结 构 初 步 设 计 , 再 进 行 刚 度 校 核 , 根 据 校 核 结 果 反 复 修 改 结 构 设 计 以 满 足 刚 度 设 计 要求 。 针 对 这 种 通 过 被 动 调 整 结 构 以 满 足 刚 度 设 计 要 求 的 方 法 , 本 文 提 出 了 一 种 在 总 体 设计 阶 段 , 根 据 总 体 设 计 要 求 , 建 立 结 构 刚 度 分 析 模 型 , 在 结 构 设 计 开 展 之 前 给 出 刚 度 分布 曲 线 以 指 导 结 构 设 计 , 从 而 减 少 迭 代 修 改 过 程 的 设 计 方 法 。 本 文 主 要 针 对 大 展 弦 比 机 翼 结 构 的 静 力 变 形 、 固 有 动 力 特 性 和 静 气 动 弹 性 总 体 设 计要 求 , 通 过 建 立 机 翼 结 构 刚 度 分 析 模 型 , 推 导 满 足 设 计 要 求 的 结 构 刚 度 分 布 计 算 公 式 ,研 究 结 构 刚 度 设 计 流 程 和 设 计 方 法 。 在 理 论 分 析 的 基 础 上 , 本 文 利 用 MATLAB GUI建立 了 相 应 的 工 程 仿 真 分 析 平 台 , 用 于 计 算 满 足 设 计 要 求 的 机 翼 结 构 垂 直 、 水 平 弯 曲 刚 度分 布 以 及 扭 转 刚 度 分 布 。 利 用 Isight 软 件 并 行 集 成 MATLAB 软 件 , 进 行 了 多 工 况 条 件下 的 机 翼 结 构 刚 度 分 布 多 目 标 优 化 设 计 , 总 结 了 设 计 流 程 , 并 给 出 了 分 析 算 例 。 与 传 统 的 机 翼 结 构 设 计 方 法 相 比 , 这 种 在 开 展 结 构 设 计 前 就 考 虑 结 构 刚 度 特 性 的 设计 思 想 更 为 科 学 。 利 用 满 足 总 体 设 计 要 求 的 结 构 刚 度 分 布 曲 线 来 指 导 结 构 设 计 , 能 够 有效 地 提 高 机 翼 结 构 的 设 计 效 率 。 关 键 词 : 机 翼 , 结 构 刚 度 , 设 计 方 法 , 优 化 设 计 II Abstract The overall structural stiffness distribution of high aspect ratio wing has a great effect on the performance of aircraft. It is an important design parameter of wing structure, which includes vertical bending stiffness, horizontal bending stiffness and torsional stiffness. During the overall design of wing structure, the traditional method is to design the preliminary structure according to strength requirements from experience. Then modify structure design to meet the demands of stiffness. To this passive iterative modify method to meet the design requirements of the stiffness, this paper presented a method to design the stiffness distribution curve before structure design by establishing a stiffness model according to the overall design requirements during the overall design, which can reduce the iteration process. This paper studied the design method and derived the formula to calculate the stiffness distribution meet the design requirements by establishing wing structural stiffness model, aiming at the overall design requirements of the static deformation, dynamic characteristics and static aeroelasticity. This paper used MATLAB GUI to write computer programs to calculate the vertical bending stiffness, horizontal bending stiffness and torsional stiffness distribution which meet the overall design requirements according to the theoretical analysis. Parallel integrated MATLAB with Isight, this paper made a multi objective optimization design of the structural stiffness distribution under multi conditions. This paper summarized the design process, and gave the analysis examples. Compared with the traditional design method of wing structure, this method which takes the structure stiffness characteristics into consideration before structure design is more scientific. The design method can improve the efficiency of wing structure design effectively by using structural stiffness distribution meet overall design requirements to guide the design of wing structure. Key words: Wings, Structural Stiffness, Design Method, Optimization Design III 目 录 第 一 章 绪 论 ...................................................................................................................... 1 1.1研 究 背 景 及 意 义 .......................................................................................................... 1 1.2国 内 外 研 究 发 展 现 状 .................................................................................................. 1 1.2.1 大 展 弦 比 机 翼 结 构 刚 度 计 算 研 究 现 状 ................................................................ 2 1.2.2 机 翼 结 构 动 力 学 分 析 研 究 现 状 ............................................................................ 2 1.2.3 机 翼 结 构 整 体 刚 度 优 化 设 计 研 究 现 状 ................................................................ 3 1.2.4 主 动 结 构 刚 度 设 计 方 法 研 究 现 状 ........................................................................ 4 1.3论 文 的 研 究 目 的 和 主 要 内 容 ....................................................................................... 5 1.3.1 论 文 的 研 究 目 的 ................................................................................................... 5 1.3.2 主 要 研 究 内 容 ....................................................................................................... 5 1.3.3 论 文 结 构 .............................................................................................................. 6 第 二 章 大 展 弦 比 机 翼 结 构 整 体 刚 度 分 布 的 设 计 方 法 .................................................... 7 2.1大 展 弦 比 机 翼 结 构 的 整 体 刚 度 特 性 ........................................................................... 7 2.1.1 大 展 弦 比 机 翼 结 构 的 特 点 ................................................................................... 7 2.1.2 大 展 弦 比 机 翼 结 构 整 体 刚 度 的 特 点 .................................................................... 7 2.2由 机 翼 静 力 变 形 设 计 要 求 推 算 结 构 刚 度 分 布 ............................................................ 8 2.2.1 结 构 刚 度 分 析 模 型 ............................................................................................... 9 2.2.2 机 翼 结 构 弯 曲 刚 度 分 布 的 设 计 方 法 .................................................................... 9 2.2.3 机 翼 结 构 扭 转 刚 度 分 布 的 设 计 方 法 .................................................................. 15 2.3由 机 翼 固 有 动 力 特 性 设 计 要 求 推 算 结 构 刚 度 分 布 .................................................. 17 2.3.1 结 构 刚 度 的 连 续 分 析 模 型 ................................................................................. 17 2.3.2 基 于 连 续 梁 模 型 的 结 构 刚 度 分 布 设 计 方 法 ...................................................... 18 2.3.3 结 构 刚 度 的 离 散 分 析 模 型 ................................................................................. 19 2.3.4 基 于 离 散 梁 模 型 的 结 构 刚 度 分 布 设 计 方 法 ...................................................... 20 2.4由 机 翼 气 动 弹 性 设 计 要 求 推 算 结 构 刚 度 分 布 .......................................................... 22 2.4.1 结 构 刚 度 分 析 模 型 ............................................................................................. 22 2.4.2 结 构 刚 度 分 布 的 设 计 方 法 ................................................................................. 23 2.5小 结 ........................................................................................................................... 26 第 三 章 机 翼 结 构 整 体 刚 度 分 布 的 设 计 仿 真 平 台 .......................................................... 27 IV 3.1平 台 架 构 分 析 ............................................................................................................ 27 3.2 MATLAB GUI分 析 特 点 ........................................................................................... 28 3.3创 建 工 程 分 析 仿 真 平 台 ............................................................................................. 30 3.3.1 仿 真 平 台 概 况 和 主 界 面 ..................................................................................... 30 3.3.2 针 对 静 变 形 设 计 要 求 的 MATLAB GUI仿 真 分 析 平 台 设 计 ............................ 31 3.3.3 针 对 固 有 动 力 特 性 设 计 要 求 的 MATLAB GUI仿 真 分 析 平 台 设 计 ................. 43 3.3.4 针 对 静 气 动 弹 性 设 计 要 求 的 MATLAB GUI仿 真 分 析 平 台 设 计 ..................... 48 3.4小 结 ........................................................................................................................... 49 第 四 章 机 翼 结 构 整 体 刚 度 分 布 的 综 合 设 计 方 法 .......................................................... 51 4.1多 载 荷 工 况 下 的 综 合 优 化 设 计 ................................................................................. 51 4.1.1 多 载 荷 工 况 下 的 综 合 优 化 设 计 分 析 方 法 .......................................................... 51 4.1.2 Isight优 化 分 析 的 特 点 ........................................................................................ 52 4.1.3 多 目 标 优 化 及 遗 传 算 法 ..................................................................................... 53 4.1.4 Isight-MATLAB综 合 优 化 设 计 研 究 ................................................................... 54 4.2机 翼 结 构 刚 度 综 合 设 计 方 法 研 究 ............................................................................. 59 4.2.1 机 翼 结 构 刚 度 综 合 设 计 流 程 ............................................................................. 59 4.2.2 各 刚 度 设 计 变 量 间 的 关 系 ................................................................................. 62 4.2.3 机 翼 结 构 刚 度 综 合 优 化 设 计 方 法 ...................................................................... 63 4.3小 结 ........................................................................................................................... 64 第 五 章 机 翼 结 构 整 体 刚 度 分 布 的 设 计 算 例 .................................................................. 66 5.1某 大 展 弦 比 机 翼 结 构 刚 度 特 点 及 设 计 流 程 分 析 ...................................................... 66 5.2机 翼 结 构 刚 度 分 布 设 计 计 算 ..................................................................................... 67 5.3机 翼 结 构 刚 度 分 布 的 多 工 况 综 合 优 化 设 计 .............................................................. 70 5.4小 结 ........................................................................................................................... 72 结 论 ........................................................................................................................... 73 参 考 文 献 ........................................................................................................................... 75 附 录 ........................................................................................................................... 78 攻 读 硕 士 学 位 期 间 取 得 的 学 术 成 果 ................................................................................... 81 致 谢 ........................................................................................................................... 82 北 京 航 空 航 天 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 第 一 章 绪 论 1.1 研 究 背 景 及 意 义 结 构 刚 度 是 指 构 件 在 载 荷 作 用 下 抵 抗 变 形 的 能 力 , 即 构 件 产 生 单 位 变 形 所 需 的 外 载值 , 包 括 拉 伸 刚 度 、 弯 曲 刚 度 和 扭 转 刚 度 。 现 代 飞 行 器 随 着 飞 行 速 度 的 提 高 , 有 关 结 构刚 度 的 问 题 变 得 越 来 越 突 出 , 如 果 结 构 刚 度 分 布 不 合 理 , 将 可 能 导 致 严 重 的 气 动 弹 性 问题 、 影 响 相 关 机 构 的 操 纵 精 度 和 使 结 构 受 力 分 配 不 均 等 。 对 于 大 展 弦 比 飞 机 而 言 , 结 构刚 度 问 题 引 起 的 结 构 动 力 特 性 、 气 动 弹 性 特 性 、 气 动 载 荷 分 布 以 及 机 械 环 境 问 题 、 结 构变 形 问 题 、 结 构 大 开 口 等 问 题 就 更 为 突 出 , 因 此 , 飞 机 结 构 刚 度 的 合 理 设 计 对 飞 机 性 能的 发 挥 具 有 重 要 意 义 [1,2]。 飞 机 机 翼 是 飞 机 结 构 的 关 键 部 件 , 其 设 计 质 量 直 接 关 系 到 飞 机 性 能 的 优 劣 。 机 翼 结构 的 展 弦 比 定 义 为 翼 展 的 平 方 与 机 翼 面 积 之 比 或 翼 展 与 机 翼 弦 长 之 比 。 大 展 弦 比 机 翼 被广 泛 使 用 在 大 型 飞 机 、 小 型 通 用 飞 机 和 平 直 翼 无 人 机 上 , 由 于 其 展 长 较 大 , 相 应 梁 和 桁条 的 长 度 、 肋 间 距 等 尺 寸 就 很 大 , 其 结 构 刚 度 问 题 就 较 其 他 机 翼 显 得 更 为 突 出 。 为 了 保证 大 展 弦 比 机 翼 结 构 拥 有 足 够 的 刚 度 , 避 免 发 生 气 动 弹 性 、 结 构 振 动 和 机 构 操 纵 精 度 等问 题 , 需 要 对 大 展 弦 比 机 翼 结 构 刚 度 进 行 重 点 设 计 [3,4]。 机 翼 结 构 的 整 体 刚 度 设 计 是 一 个 较 为 复 杂 的 问 题 。 在 传 统 的 结 构 设 计 初 期 , 由 于 刚度 设 计 指 标 通 常 较 为 笼 统 和 模 糊 , 有 关 结 构 刚 度 设 计 问 题 只 是 定 性 地 进 行 分 析 , 凭 借 设计 经 验 给 出 一 些 参 考 意 见 , 机 翼 结 构 主 要 按 照 强 度 要 求 进 行 设 计 [5]。 在 完 成 结 构 初 步 设计 之 后 , 再 通 过 试 验 方 法 或 数 值 校 核 方 法 进 行 相 应 的 结 构 刚 度 分 析 , 如 果 结 构 刚 度 方 面存 在 问 题 , 则 需 要 修 改 图 纸 , 让 结 构 设 计 反 复 迭 代 最 终 得 到 满 足 要 求 的 结 构 。 这 种 传 统设 计 没 有 预 先 充 分 考 虑 结 构 刚 度 的 影 响 , 一 定 程 度 上 导 致 了 设 计 的 反 复 , 因 而 研 究 如 何在 机 翼 结 构 设 计 初 期 就 考 虑 结 构 整 体 刚 度 问 题 具 有 重 要 意 义 。 1.2 国 内 外 研 究 发 展 现 状 针 对 目 前 以 结 构 强 度 要 求 为 标 准 , 在 完 成 结 构 设 计 之 后 通 过 校 核 、 调 参 来 验 证 、 修改 机 翼 结 构 刚 度 的 设 计 方 法 , 国 内 外 对 机 翼 结 构 刚 度 设 计 的 研 究 主 要 放 在 了 对 已 有 的 机翼 结 构 进 行 整 体 刚 度 计 算 分 析 及 调 整 , 采 用 考 虑 气 动 弹 性 的 多 学 科 耦 合 方 法 对 结 构 整 体刚 度 进 行 初 步 设 计 , 对 机 翼 结 构 的 固 有 动 力 特 性 进 行 工 程 分 析 以 及 对 复 合 材 料 结 构 的 机翼 进 行 气 动 弹 性 剪 裁 等 方 面 上 。 本 文 主 要 考 虑 的 是 满 足 静 变 形 、 固 有 动 力 特 性 以 及 静 气动 弹 性 要 求 的 机 翼 结 构 整 体 刚 度 设 计 , 因 而 本 节 重 点 对 大 展 弦 比 机 翼 结 构 刚 度 计 算 研 究 、
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