可变形机翼机构设计及分析

1、可变形机翼机构设计及分析随着现代航空业及科学技术的不断发展，人类对飞机的综合性能提出了更高的要求，如更高的飞行效率、更低的燃油消耗、更长的航程以及更好的机动性等。可变形机翼可以根据飞行任务的不同， 相应的改变机翼的气动外形，从而调整飞机的空气动力学特性。 1985 年美国空军与NASA 共同提出了“任务自适应机翼项目。 关于可变形机翼的相关研究还有许多，如美国国防高级研究计划署与格鲁曼公司共同提出的“机敏机翼”项目、德国宇航中心提出的带状柔性可变形机翼等。尽管在可变形机翼领域已经取得了较多成果，但并没有对某一类可变形机翼形成系统化的设计。而且多数设计方案机构自由度大于 1 ，这意味着机构中需要

2、有两个或两个以上的驱动，这无疑增加了机构的重量和控制的难度。可变形机翼结构设计平面闭环连杆机构是结构设计中最常使用的机构之一。其具有诸多优点，如承载能力大、传动可靠、自由度确定、耐磨性能优良等。 本文将以平面闭环连杆机构为设计对象，进行可变形机翼的结构设计。可变形机翼可以形成连续渐变的弯度，这要求在可变形机翼中至少有两个变形单元，而且在相同的变形方向上必须具有逐渐增大的变形位移。因此， 本文提出了一种可变形机翼的设计方案， 如图1 （a）所示。为了机构形状与传统机翼形状相似，图 1（ a） 中的位移放大机构进行了适当的变形。其中连杆EDF 为一个整体，与连杆C D在点D处较接。当连杆BC上有一

3、个逆时针输入时，连杆 BC将 绕点B进行逆时针旋转，此时，连杆 BC上所有点中，点C的竖 直位移最大，由于点C与点C重合，因此连杆C将获得最大的 竖直位移。在连杆BC上任意选取一点与点 E连接，则点E将获 得一个小于连杆 C D勺竖直位移。此时图1左侧第二个机构可以 实现位移放大的功能，在点 F 处将得到同向放大的输出。利用以上设计方法，可以得到如图1（ b） 所示的可变形机翼结构方案。针对以上可变形机翼方案，建立其数学模型，并在 MATLAB 中进行机构的轨迹仿真，得到图 2 的机构运动轨迹仿真结果。从仿真结果可知，设计方案能实现弯度的连续渐变，满足可变形机翼设计要求。可变形机翼空气动力学分

4、析 空气动力特性是评价可变形机翼设计优劣的一个重要指标。本文选取美国国家航空咨询委员会开发的一款型号为NACA64-015 的机翼作文分析对象，在专用的NACA 机翼轮廓生成软件中提取机翼外轮廓点。目前绝大多数飞机采用襟翼的形式来调整飞机的气动特性，襟翼一般安装在机翼弦长的70%处。而可变形机翼外表面是一个整体，所以本文将可变形处置于机翼弦长的50%处。机翼末端偏转角均设为 5。设来流速度V0=50m/s，攻角8=5,压强p=*pa ,空气密度 p =i.225kg/m3,温度T=288K,运动黏度v=l.461 XI。5m2/s。得到如图3所示的仿真结果。对比图3 （a） （b）可知，可变形机翼末端下方流体流速比传统机翼末端下方流体流速慢，根据流体基本运动规律，物体表面流体流速越慢，物体表面局部气压越高，气压差越大，升力越大。因此通过气动分析结果可知，可变形机翼具有更大的升力。仿真结果显示，当末端转角均为5时，可变形机翼的升力系数为0.892，传统机翼的升力系数为0.794， 可变形机翼的升阻比为12.56， 传统机翼的升阻比为11.34。所以可变形机翼可以有效调整飞机的气动特性。结论1 ）本文提出了一种可变形机翼的设计方案，可以实现机构弯度的连续调整。2）通过仿真分析，本文所提出的可变形机翼方案就有较好的弯度调