【毕业学位论文】（Word原稿）飞机总体设计中机翼重量评估方法研究

中图分类号： 论文编号 ： 1028701 11科分类号： 080501 硕士 学位论文 飞机总体设计中 机翼重量评估 方法 研究 研究 生姓名 学科、专业 飞行器设计 研究方向 飞 机 综合 设计 技术 指导教师 教授 航空航天大学 研究生院 航空宇航 学院 二 一 年 十二 月 A of 2010 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 机翼重量估算是飞机总体设计的重要内容之一，机翼重量对 飞机的飞行性能、气动特性、强度刚度、疲劳寿命等等都具有 很 大影响。 总体设计中，常用的机翼重量估算方法有经验方法、理论方法和半理论方法。本文以大型运输机为对象，研究了两种飞机总体设计中机翼重量的评估方法 基于工程梁理论的方法和基于结构有限元和优化的方法。 1） 针对 飞机方案设计阶段大型 客机 机翼重量 评估问题，研究了一种 基于工程梁理论 的方法。首先在 境下对 机翼外形 进行参数化设计 ； 然后应用 本文件功能和 速生成面元法程序（ 输入数据文件 对 机翼表面气动力进行 快速评估 ， 从而 实现机翼气动载荷的提取，拟合出沿机翼展向的升力分布函数，并添加到建立的机翼结构模型上；最后采用 语言编制基于工程梁理论评估方法的计算机程序，对 八 种客机机翼承载结构重量进行评估，利用最小二乘法统计分析机翼总重与承载重量的关系，并对 机进行计算验证，结果证明该方法对大型客机机翼重量的评估具有较高精度。 2）针对飞机总体设计中大型军用运输机机翼重量评估问题 ， 研究了一种 基于结构有限元和优化 的方法。 首先针对 机翼机身 吊舱组合体 外形参数化模 型 ， 通过 言对 次开发，自动生成 机身、 机翼和吊舱参数化几何模型；应用 本语言的功能和编制口程序，完成气动分析模型的自动化；气动分析模型采用面元法（ 序）；编制 序提取气动数据，拟合出机翼表面压强分布函数；通过 次开发和本文件，实现自动生成机翼结构有限元模型；应用 带的优化工具对结构部件尺寸进行优化得到满足约束下的最小机翼结构重量；应用超拉丁方法，在集成平台 析机翼外形参数和发动机位置参数对机翼结构重量的影响。 通过 术 和 法 的应用， 机翼重量评估方法的精度得以提高，为总体设计中机翼方案的重量评估提供了两个可行有效的方法。 本文方法和技术路线能有效地 缩短飞机总体方案设计 的 周期， 提高设计质量 。 关键词： 飞机总体设计， 有限元方法，工程梁方法，参数化建模， 重量评估 ， 结构优化 飞机总体设计中机翼重量评估方法研究 is of in as a on of of in to 1) 2) ) to is on is on 1) A of of on is s to a is to of of a is C+ to to of A 320is to s 2) A of of on on AD is by is s is A is to on of A is by PI s of is to of of AD 京航空航天大学硕士学位论文 of in to in of in 机总体设计中机翼重量评估方法研究 目 录 第一章 绪论 . 1 机机翼重量评估的意义和内容 . 1 体设计中机翼重量的评估方法 . 2 体设计中机翼 重量评估方法概述 . 2 型的评估方法及其优缺点 . 3 文的目的与研究内容 . 5 第二章 参数化 . 7 . 7 翼参数化建模 . 8 身外形的参数化建模 . 11 身过渡面的参数化建模 . 11 动机短舱的参数化建模 . 13 第三章 机翼气动载荷计算 . 15 动载荷计算工具 . 15 . 15 元法及 . 16 动载荷计算模型 . 18 格划分 . 18 件格式转换与组合 . 20 动分析与机翼展向载荷提取 . 22 第四章 基于工程梁理论的机翼重量评估方法 . 24 何模型 . 24 荷计算 . 26 构分析与承载结构重量计算 . 27 翼重量与机翼承载结构重量的关系 . 29 估方法的实现及验证 . 30 第五章 基于结构有限元和优化的机翼重量评估方法 . 36 翼结构参数化 . 36 翼结构方案 . 36 翼结构参数化建模 . 37 载计算 . 38 南京航空航天大学硕士学位论文 V 动载荷 . 38 他载荷 . 40 构有限元模型 . 40 构优化问题定义 . 43 翼重量评估框架 . 43 翼结构重量的敏感性分析 . 46 验设计 . 46 析结果 . 47 第六章 总结与进一步的工作 . 51 文总结 . 51 一步的研究工作 . 51 参考文献 . 52 致 谢 . 55 在学期间的研究成果及发表的学术论文 . 56 飞机总体设计中机翼重量评估方法研究 图表清单 图 描述 . 7 图 型坐标系定义 . 8 图 机翼总体外形参数定义 . 9 图 典型军用运输机机翼表面模型 . 10 图 典型客机机翼表面模型 . 10 图 运输机机身外形 . 11 图 翼身融合过渡面 . 12 图 不同展弦比、后掠角机翼同机身的过渡面 . 13 图 发动机短舱建模参数 . 14 图 发动机短舱外形 . 14 图 气动计算模型计算流程 . 18 图 全机网格图 . 19 图 全机网格图 . 19 图 带尾迹全机网格图 . 20 图 机身、发动机舱、进气截面边界条件 . 21 图 机翼、机身尾迹面边界条件 . 21 图 发动机舱尾迹面边界条件 . 21 图 全机表面压力分布 . 23 图 机翼展向升力系数分布拟合 . 23 图 机翼外形与结构布置参数定义 . 25 图 机翼总重与结构承载重量的关系 . 30 图 改进的工程梁理论的机翼重量评估方法流程图 . 32 图 翼模型 . 33 图 翼表面网格 . 34 图 机翼表面压力系数分布 . 34 图 机翼展向载荷分布曲线 . 35 图 基于结构有限元分析和结构优化的机翼重量估算流程 . 36 图 机翼结构 型 . 38 图 强度校核典型状态 . 38 图 气动载荷弦向分布 . 39 图 机翼结构壳单元网格划分 . 40 图 机翼结构杆单元网格划分 . 41 图 边界条件 . 42 图 机翼重量评估流程 . 43 图 计过程 . 44 图 机翼重量估算框架 . 45 图 机翼基准参考方案图 . 47 南京航空航天大学硕士学位论文 机翼主要设计参数的 . 47 图 机翼重量与机翼面积间关系 . 48 图 机翼重量与展弦比间关系 . 48 图 机翼重量与梢根比间关系 . 49 图 机翼重量与外侧发动机展向位置间关系 . 49 图 机翼重量与前缘后掠角间关系 . 50 图 机翼重量与翼梢扭转角间关系 . 50 表 空气动力学在飞机设计中的应用 . 16 表 边界条件类型设置及格式转换函数 . 20 表 机翼几何 参数计算公式 . 24 表 结构参数的计算公式 . 26 表 失稳指数和失稳因子的取值 . 28 表 机翼承载结构重 量与机翼真实重量 . 29 表 机翼承载结构重量估算程序输入参数 . 31 表 波音 747翼重量估算结果（单位：磅） . 32 表 输入参数 . 32 表 翼重量估算结果（单位：磅） . 35 表 机翼结构模型参数化模型设计参数 . 37 表 本文选择的结构校核状态 . 39 表 动机主要参数 . 40 表 载荷工况 . 41 表 边界条件 . 42 表 机翼外形参数变量 . 46 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 机 机翼 重量 评估 的意义 和内容 飞机设计按照设计内容的粗细程度和大致的先后次序，可以划分为 3 个有内在联系的不同阶段：概念设计，主要任务为根据飞机的设计要求，对飞机进行全 面 的构思 形成设计方案的基本概念，并草拟一个或几个能满足设计要求的初步设计方案；初步设计 ，主要任务为对初步设计方案进行修改和补充，使其进一步明确和具体化，最终 给 出完整的总体设计方案 ；详细设计 ，主要任务为进行结构设计，包括部件设计和零构件设计 1。 在概念设计和初步设计阶段， 对全机进行重量计算和重心定位是一个重要内容，其估算的准确度对总体设计方案主要参数的选择具有重要影响 ， 同时是 飞行性能 、 操纵性 和 稳定性 初步 计算的依据 。 在概念设计阶段，根据飞机战术技术要求可以采用统计数据和经验公式迅速估算出飞机的空机重量和起飞 重量，然而在初步设计阶段则必须进行较为详细的分类重量估算。从本质上看，飞机是各种零部件、设备或附件成品、标准件和各类工作液体 的 组合体，把这些部分的重量累加起来就是飞机总重。显然 在初步设计 阶段这些细项 的 重量无法落实，只能通过对飞机各部件和系统分别进行重量评估。机翼是飞机的主 要升力面，作为一个 重要部件，承担着飞机大部分的气动载荷。机翼重量占 全机 结构重量的比例将近三分之一 ， 对全机重量及重心位置具有 极其重量的影响， 所以提高机翼重量 评估 的准确度 对飞机总体设计而言具有十分重要的意义 。 在 机翼重量 评估过程中往往涉及到三个 层次 的重量 ： 盒重、结构重量和总重。盒重是指机翼的主要承力部件 翼盒的重量 ， 翼盒 由机翼 大梁、梁间的蒙皮和 翼 肋、展向加强筋或长桁等构件组成， 它 的重量 占据了机翼重量的绝大部分， 所以 盒重是机翼 重 量 评估工作的核心。 机翼结构重量 除了盒重 外 ，还包括 翼盒以外的辅助承力部件和非承力部件的重量，比如 起落架支撑梁、机翼 与 机身接头 、连接件 、 紧固件 、 前后缘结构、翼尖结构、 防火隔板等 等 。总重 则 是在结构重量 的 基础上再增加 各类前 、 后缘 增升装置、 活动 翼面 等部件重量，但是总重不 包 括 推进、燃油、航电、应急、液压等系统重量。 在飞机设计的不同阶 段或者同一设计阶段的不同方法中，机翼重量评估的内容侧重都会有所不同 ， 但随着设计过程的推进，评估方法的 详细程 度和准确 度均不断 提高，估算所产生的误差 也 逐步减少。 概念 设计阶段飞机重量估算工作的基本内容是按照 飞机设计 要求，论证飞机的总重和各部 件 、 系统的重量，并综合其他专业共同寻求重量最轻的飞机总体方案，提出 初步的飞机重量和 重 心指标。这个阶段只 需要给出 飞机主要性能参数和 几何 外形参数 即可 ，所以 本阶段的 评估对象是 机翼 总重或结构重量， 而且 多 采用较为 粗略的 估算 方法 计算得到 ，如 相对重量系数法、统计分析法（即经验公式法）、单位面 积估算法、单位体积估算法等 2。 飞机总体设计中机翼重量评估方法研究 2 初步设计阶段 ，设计人员 根据 正式确定的战术技术要求或使用技术要求对初始方案进行修改和完善， 给出全机的三面图 和理论外形 ，合理安排各种机载设备、系统、任务载荷等的装载，初步布置飞机 结构的承力系统和主承力构件，进行较为详细的重量计算和重心定位。本阶段，由于机翼 的结构形式、 传力路线、展向 和弦向的结构受力构件 布置、主要零件的材料和构造形式 以及基本尺寸 都 已 确定，机翼重量可以 进行较为精确的评估，尤其是盒重 和结构重量 。 本阶段 一般采用有限元法对机翼进行 结构 优化设计， 确定初步的 零件 设计参数 ，对 各零件重量进行统计 后 得到机翼结构重量。 进入详细设计阶段后，飞机的所有部件和零构件都将设计完成并发 图 生产。机翼 结构 重量将从零件开始算起，一直累加到组件、部件 ， 从 而 得到准确的总重。 一旦部件生产出来 将直接进行称重 ，若与理论 设计 数据有出入则立即返回设计部门进行 调整修改 。 机翼重量的最终值一般是在飞机开始生产几年后才可以确定，并有所增重。 一般 来 讲 ，以第一架原型机的机翼重量为基准，方案论证阶段机翼重量的估算允许误差为 610% ，方案初步设计阶段为 35% ，详细设计 阶段 为 12% 3。 体设计中机翼重量的评估方法 体设计中机翼重量评估方法 概述 总体设计，即方案设计，包含方案的概念性设计和初步设计两 个 阶段 。 起点是 根据国民经济或国防建设的需要拟定飞机的使用技术性能或战术技术性能要求 ，终点是 确定飞机总体设计方案的各种参数， 形成满足设计指标的 最优 设计方案。 飞机 总体设计 是 创造性与科学性结合的过程，是设计方案 从 粗到细、反复论证优选的过程，是 各个专业学科 从耦合到解耦 、综合协调的 过程， 是反复迭代、多轮逼近的过程。这些特点对总体设计方法和流程提出了较高的要求 。机翼重量评估作为总体设计中一项重要工作，其 研究 方法也应当符合总体设计的特点和要求。具体的特点和要求归纳成如下七条 4 5： 1） 应 具有发散式的快速形成多种粗线条方案的能力； 2） 应 具有对方案不断进行逐级细化的能力； 3） 具备复杂程度不同的工具，以便适应不同设计阶段的不同需求； 4） 尽可 能 多的 考虑各个 专业学科； 5） 尽早的充分考虑学科之间的关联，以及进行 各 个专业学科的协调和权衡； 6） 应 便于进行设计更改； 7） 能 高效率的进行 大量设计循环和迭代 。 机翼重量评估 方法主要分为经验方法和理论方法 两大类 。 快速区别两种评估手段的方法是看其是否依赖于具有成功经验的飞机统计 数据。 经验方法 是随着飞机的历史而发展的， 往往 纯南京航空航天大学硕士学位论文 3 粹依赖于以往的飞机数据， 复杂程度低， 简单快速， 可 用于方案设计 的 最初阶段。 经验方法包括 相对重量系数法、统计分析法（即经验公式法）、单位面积估算法、单位体积估算法等。其 弊病是使用范围狭窄 ， 仅在 对传统构型的飞机 进行估算时 精度 较高 ，而且 没有考虑其他学科 （如气动载荷、材料等等） 对机翼重量的影响。 同经验方法相比 ， 理论方法 估算 精度 较 高， 而且 能考虑气动、结构等 其他 学科对机翼重量的影响， 采用参数化 建模 技术后可 较好的满足 前 述 重量估算方