变后掠翼机构设计与分析

变后掠翼机构设计与分析

基于变抢的机动变抢算法专家估计，无人机在21世纪的飞机中是“杀手”。为此,世界主要军事强国,尤其是美国,己着手研究和评估无人作战飞机。对于许多无人作战飞机来说,能否完成任务取决于其能否同时拥有高空低速飞行(巡逻构型)能力和超音速攻击(攻击构型)能力。比如,某无人作战飞机典型的作战任务为:在远离敌方的机场起飞,高速(大后掠角)进入目标区域,高空突防后,长时间(最小后掠角)对目标区域进行实时侦查,若发现目标后立刻高速(大后掠角)扑向目标进行攻击。再比如,某新能源无人飞行器,要求上升段具有良好的高速性能,可以以较大速度、较小阻力尽快上升到预定高度,要求盘旋下降段飞行器能够在小动力下长时间盘旋下滑飞行,具有良好的低速盘旋性能,可以以较小速度、较高的升阻比实现长时的盘旋下降飞行,满足长时留空的要求。飞行器在设计上都可以考虑采用变后掠翼的方式,低速时转向小后掠角、大展弦比,其升力及升阻比明显增加,巡航性能明显改变;超音速时转向大后掠、小展弦比,其波阻小,超音速性能良好。本文提出了一种机翼变后掠翼设计方法,共分三步:第一步,结合机翼几何参数和设计指标,确定变掠机构位置和机构部分主要参数;第二步,建立数学模型,对机构进行运动分析,把握机翼运动随时间或连杆的变化规律;第三步,用具体的算例证明该方法的有效性和合理性。1独立后倾斜系统的设计分析1.1气动合理的双构式组合对于无人机来说,机翼变后掠的设计要求就是要保证机构的运动能满足飞行任务段所需要的后掠角,机构不但要重量轻、控制简单和运动可靠,同时还要保证机翼结构传力路线的合理可行,并兼顾机翼结构内部空间的大小。1.2后掠角变化分析有研究表明变后掠机翼转轴位置对气动中心移动量有很大的影响。如果转轴展向位置比较靠外,则气动中心的移动量会明显减小,但参与变后掠的机翼面积比例就会太小,体现不出足够的变后掠气动效益。转轴太靠近翼根,则稳定裕度随后掠角变化太大,结构增重,过载能力受到限制,也限制了变后掠优越性的发挥。根据对变后掠机翼的研究,选取翼展30%为转轴位置较为合理。因此将机翼设计为分段机翼,内段翼固定不动,外段翼进行变后掠。1.3作动筒两端连接采用液压或电力驱动,变杆长连杆传动。主轴通过轴承连接在轴翼盒上,连杆和主轴固连,外段翼与连杆固连,作动筒一端通过推杆基座和内段翼活动连接,另一端和外段翼上的转轴铰接。作动筒推杆前后伸缩时,带动外段翼绕主轴旋转,同时作动筒绕推杆基座旋转,从而实现变后掠。2变后撒布机的设计计算2.1内段机翼主轴及后掠地位将运动机构抽象,得到变后掠机构的数学模型,如图1所示。其中(b)是(a)中变掠机构的放大图,假设内翼尖弦和外翼根弦后缘点平齐,A代表内段机翼上的机构主轴,C代表外段翼上与作动筒铰接的转轴,D代表作动筒推杆基座,AB代表连杆,CD代表作动筒,BC为外段机翼根弦初始位置,EF为外段机翼根弦最大后掠位置,四边形ABCD代表机翼初始状态时机构的位置,四边形AEFD代表机翼最大后掠状态时机构的位置。机构部分变量含义见表1。2.2转轴的选择机翼几何形状确定后,h,g,α,β也就确定了,其它参数的确定如下:参数a:由图1中的几何关系可以确定:a=g-htanαa=g−htanα参数b:转轴的弦向位置对气动中心的移动量的影响不如展向位置敏感,而选择转轴弦向位置时主要考虑结构的影响。一般应选在厚度较大的位置,取得较大的结构高度,提高承载能力,减轻重量。因此,主轴可选择在内翼尖弦的35%～50%(一般翼型最大厚度处)弦长处。另外,还要考虑运动协调要求,机翼变后掠时,在转轴附近处,转动机翼的一部分将从固定机翼中转出来,另一部分则要转进去。要考虑相互干扰部分的总体相容性,转轴可选择在外翼根弦的60%左右弦长处。参数θ:为保证机翼有着良好的整流特性,外翼初始状态时机翼后缘与内翼后缘平行,最大后掠状态时外翼前缘与内翼前缘平行。则外翼后掠角可在α到β之间变化。则:θ=α-β。如果总体气动设计上对机翼变后掠的角度范围有要求,可以重新设定θ角,不影响其它参数的计算。参数s,f,l,d:由作动筒设计经验,可知s/l=k(k=0.45～0.85),结合图1中几何关系可得:l=s/k(1)f=(k+1)·s/k(2)d=√(f-a)2+b2(3)d=(f−a)2+b2−−−−−−−−−−√(3)其中,s可由下面的计算确定:由图1(b)中的几何关系以及余弦定理可以确定:CF2=AC2+AF2-2AC⋅AFcosθcos(∠Ω)=AC2+CD2-AD22AC⋅CDcos(∠δ)=cos(180°-θ2-Ω)=sin(θ2+Ω)=CD2+CF2-DF22CD⋅CFCF2=AC2+AF2−2AC⋅AFcosθcos(∠Ω)=AC2+CD2−AD22AC⋅CDcos(∠δ)=cos(180°−θ2−Ω)=sin(θ2+Ω)=CD2+CF2−DF22CD⋅CF经推导后得到作动筒最大行程s的计算公式如(4)式所示:sin(θ2+arccos(a2+b2+f2-d22f⋅√a2+b2))=2(a2+b2)(1+cosθ)+2f⋅s+s2f⋅√8(a2+b2)(1+cosθ)(4)当最大后掠角度θ确定后,同时结合经验给定一个k值,求解方程(4)即可得到作动筒最大行程s,结合式(1)(2)(3)进行求解,机构的全部参数都将确定下来。3各作动筒参数变掠机构运动合成的效果为外段翼绕主轴(A点)旋转(见图2),选择外段翼和作动筒共用的一点C,其运动为绕A的圆周运动,即F点合速度的方向垂直AF。则在整个运动过程中有:v′cos(90°-ϕ)=vθ(t)=ω(t)=v′AF=vAF⋅sinϕ由图中的几何关系及余弦定理可以确定:cosϕ=AF2+DF2-AD22AF⋅DF=(a2+b2)+(f-c)2-d22√a2+b2⋅(f-c)式中,c=vt。将以上各式整理可得:θ(t)=ω(t)=v√(a2+b2)⋅(1-cos2ϕ)(5)若作动筒为匀速运动,则速度v由作动筒最大行程除以作用时间来确定;若作动筒为非匀速运动,则需要给定速度随时间的变化规律,通过式(5)带入其它设计参数,并进行数值求解,便可得到机翼运动随时间的变化规律。4计算4.1变掠机构设计某变后掠无人机机翼平面形状如图3所示。运动机构设计指标为:外翼后掠角变换范围为从4.4°～30°;5s完成。第一步,结合机翼平面形状参数和设计指标,确定变掠机构参数如表2。第二步,假设作动器做匀速运动,则:v=s/t=1.92cm/s将数值代入计算关系式(5),用MATLAB数学计算软件对其进行数值求解,得到机翼运动随时间和连杆的变化规律曲线,见图5和图6中的数值计算结果。4.2catia仿真分析为了对变后掠机构的运动规律和运动过程进行比较直观的分析和对上述计算模型、参数计算方法进行验证,用大型三维建模分析软件CATIA对算例的变后掠运动机构进行了三维建模,并利用其运动分析模块进行了运动模拟仿真分析,仿真结果见图4～图6。通过对比图5和图6中的曲线可以发现,图中的曲线几乎是完全重合的,这说明CATIA运动仿真得到的结果与MATLAB数值计算得到的结果是一致的,证明了本文方法的有效性和合理性。5建立变式中的仿真1)本文对变后掠翼机构进行了设计计算,给出了部分主要参数的设计分析及计算公式。当给定了机翼平面形状参数和设计指标后,通过本文设计分析和计算方法,可以合理布置变掠机构位置、设计变掠机构部分主要参数和对机翼的运动进行建模分析。2)通过对具体的算例,建立机构的实体模型,进行运动模拟仿真,运动仿真得到的后掠角随