【正文】 !未找到引用源。設(shè)飛行器機(jī)翼的上反角為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 表 31 正面突風(fēng)下柔性機(jī)翼與剛性機(jī)翼的對(duì)比 迎角增加 升力增加 綜合優(yōu)點(diǎn) 柔性機(jī)翼 小 小 好 剛性機(jī)翼 大 大 差 而在相同突風(fēng)情況下的突風(fēng)過(guò)載分別是 柔性機(jī)翼： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 → 0，柔性翼的縱向靜穩(wěn)定性與剛性機(jī)翼相等；當(dāng) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 27） 剛性機(jī)翼： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，G 表示彈性機(jī)翼的剪切模量， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 圖 31 下面突風(fēng)下柔性翼的受力及變形 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 因?yàn)榇藭r(shí)研究的氣動(dòng)力變化范圍不大，為了對(duì)比剛性翼研究，假設(shè)后面參與分析的剛性機(jī)翼的剛度都非常大，即在受力發(fā)生變化時(shí)幾乎不產(chǎn)生形變，最終的微型飛行器的升力表達(dá)式： 柔性機(jī) 翼： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 變化到 錯(cuò)誤 !未找到引用源。下面將分別對(duì)柔 性翼微型飛行器在分別受到 XYZ 方向的來(lái)流風(fēng)時(shí)，即分別命名為下突風(fēng)和側(cè)面突風(fēng)以及正面突風(fēng)三種情況下的扭轉(zhuǎn)以及彎曲變形和縱向和橫向穩(wěn)定性進(jìn)行細(xì)致的分析。 越小，姿態(tài)的變化將越小。 此時(shí)，在圖中我們可以看到，由于受到突風(fēng)的影響，柔性翼微型的迎角以及側(cè)滑角相對(duì)于突風(fēng)前發(fā)生了變化，假定分別將產(chǎn)生了 α w 和β w 的改變量。假設(shè)飛行器對(duì)稱的穿越突風(fēng)，且不考慮摩擦應(yīng)力，此時(shí)的地面固定坐標(biāo)軸系 錯(cuò)誤 !未找到引用源。根據(jù)垂直起降無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)概念以及要求本文將對(duì)任務(wù)要求如下所列舉的微型飛行器作為主要研究對(duì)象： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 翼展 b=250mm 小展弦比 A=2 左右 低雷諾數(shù) 10e5 數(shù)量級(jí) 巡航速度 20m/s（ 72km/h） 巡航高度 200m 續(xù)航時(shí)間 30min（巡航 10min，盤(pán)旋 20min） 對(duì)于此范圍內(nèi)的微小型飛行器柔性機(jī)翼的各種研究。 常規(guī)的飛行器設(shè)計(jì)中，機(jī)翼的氣動(dòng)設(shè)計(jì)是按照剛性機(jī)翼進(jìn)行的，即在對(duì)機(jī)翼的外形等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中是不考慮機(jī)翼在受到氣動(dòng)載荷時(shí)的變形的，反之，也不會(huì)考慮外形的變形對(duì)氣動(dòng)特性的影響。對(duì)微型飛行器的界定，美國(guó) 國(guó)防部預(yù)研計(jì)劃局 有四條指標(biāo)， 第一條它微型飛行器的最大尺寸不超過(guò) 15 厘米，第二條，最大航程10 公里以上，第三條，最大飛行速度至少達(dá)到每小時(shí) 40 到 50 公里，第四條，最大續(xù)航時(shí)間起碼達(dá)到 2 小時(shí)。相關(guān)研究驗(yàn)證了柔性材料的機(jī)翼可以增加微小型飛行器的突風(fēng)適應(yīng)性，使微小型飛行器能更加適應(yīng)變化的外部條件，減小外部因素對(duì)飛行器的限制，提高飛行器的生存能力。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 I 摘 要 微小型飛行器是于上世紀(jì) 90 年代發(fā)展起來(lái)的一種新型的飛行器，也是目前國(guó)內(nèi)外航空領(lǐng)域飛行器研究的重要發(fā)展方向。 關(guān)鍵字 ：微型飛行器，柔性翼，復(fù)合材料，抗風(fēng)能力 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 II ABSTRACT Micro air vehicle was a new class of aircraft which developed in the last century, 90 years. Now is also an important aircraft research direction in both Domestic and international aviation. It has many benefits, such as small size, lightweight, portable, low cost. So it has broad application prospects. Flexible wing micro air vehicle is expected to increase MAV’s wind resistance by the deformation of the structure. This paper starts from a simplified model of the flexible wing. The gust stream is divided into three directions, and the root causes of flexible wing antigust are studied. Then the structural layout of the flexible wing is divided into four typical categories, and finite element models of those typical flexible wings were established, and the bending and torsion deformations of these typical flexible wings under a uniform distributing force were calculated subsequently. Comparisons of finite element results show that the longitudinal structural layout is best. In order to eliminate the effect of deformation of posite flexible wing on cruise properties of micro air vehicle, the predeformation is proposed to solve the cruise lift problems. Finally, a finite element analysis was performed to validate the wind resistance of proposed flexible wing micro air vehicle, and its vibration properties and landing safety also were analyzed. Research results show that the flexible wing can increase the aircraft39。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 圖 12 微型飛行器效果圖 微型飛行器的興起與微型飛行器的應(yīng)用廣泛有非常大的聯(lián)系，微型飛行器除了用于軍事偵查外，還在交通、通 訊、宇航、大氣研究等眾多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用潛力。而為了避免這種在氣動(dòng)載荷下的變形和給飛行器在各個(gè)方面帶來(lái)的不利影響，通常情況下采用的是加大結(jié)構(gòu)的剛度來(lái)防止這種變形，而這將會(huì)犧牲飛行器整體的重量，在微型飛行器低雷諾數(shù)情況下這種方法尤為不科學(xué)。因?yàn)楝F(xiàn)在的材料強(qiáng)度一般能承受飛行器的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，所以在不做任何其它額外的外形設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)調(diào)整的情況下，基本外形如下圖所示： 圖 1– 5 單槳拉進(jìn)式微型飛行器 本為出簡(jiǎn)單的介紹柔性微型飛行器外，還將深入研究柔性機(jī)翼的其他特點(diǎn)特性。 ，以及飛行器機(jī)體坐標(biāo)軸系 OXYZ，飛行器在正常飛 行時(shí)速度分量在地面固定坐標(biāo)系 xoy 平面的分量為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 針對(duì)此小迎角、低風(fēng)速、低空下的機(jī)翼所產(chǎn)生的升力可以簡(jiǎn)單的表示為： （ 11） 其中：ρ為海平面大氣密度； v 為氣流的速度； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。從而得出結(jié)論：在突風(fēng)一定的情況下，對(duì)于其他條件相同的兩架微型飛行器，采用柔性機(jī)翼能有效減小飛行器 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12第三章 柔性翼微型飛行器的突風(fēng)特性 柔性翼微型飛行器受下突風(fēng)時(shí)的穩(wěn)定性 穩(wěn)定性又稱安定性，它是指飛行器在一定條件下的一種運(yùn)動(dòng)屬性，通常是指飛行器保持固有狀態(tài)或反抗外界干擾的能力。 時(shí)，作用在機(jī)翼表面的升力會(huì)增加，增加的升力作用在氣動(dòng)中心上會(huì)使飛行器產(chǎn)生低頭力矩 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 21） 剛性機(jī)翼： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為極慣性矩。 （ 28） 由上述各項(xiàng)公式和轉(zhuǎn)角增加量與力矩之間的關(guān)系 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 且不可被忽略時(shí)，有 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 211） 剛性機(jī)翼： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，飛行器的翼展為 L。 ， 從而改變了初始穩(wěn)定狀態(tài)下的上反角Γ，假設(shè)柔性材料變形與受力成正比關(guān)系，有： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 （ 219） （ 220） 因此可以知道柔性翼飛行器在突風(fēng)條件下的滾轉(zhuǎn)合力矩為 （ 221） 對(duì)于剛性翼飛行器，在突風(fēng)下變形很小，可以忽略，因此有 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 是變得更加小了，和縱向分析能得出相同的結(jié)論，即若以升力（高度）的大小來(lái)衡量飛行器偏離原來(lái)飛行軌跡的標(biāo)準(zhǔn)，采用柔性翼作 為我們微型飛行器的機(jī)翼是能夠增加了飛行器的橫向靜穩(wěn)定性的。 （ 225） 由上述的公式可以得出明顯的結(jié)論，在正面有突風(fēng)吹來(lái)的時(shí)候，柔性機(jī)翼的升力相比較剛性機(jī)翼而言，增加量要小于剛性機(jī)翼。對(duì)于突然地來(lái)風(fēng)，這個(gè)條件使得柔性翼對(duì)突風(fēng)的應(yīng)對(duì)反應(yīng)速度提高了，提高了柔性機(jī)翼的適應(yīng)性。 國(guó)際上對(duì)柔性翼的研究一直都在進(jìn)行，下面是國(guó)際上各種著名的柔性翼飛行器以及相關(guān)的簡(jiǎn)單介紹： Florida 大學(xué)的柔性飛行器以及實(shí)驗(yàn)的位移 圖： 圖 41 柔性翼微型飛行器圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 圖 42 柔性翼微型飛行器形變圖 還有下面是已經(jīng)成功試飛的柔性翼微型飛行器： 圖 43 柔性翼微型飛行器的各視圖 目前可能滿足結(jié)構(gòu)上要求的柔性翼翼型大致可以分為以下這些形式： 圖 44 柔性翼微型飛行器機(jī)翼布局形式 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 為了系統(tǒng)的研究柔性翼的結(jié)構(gòu)特性，將上述現(xiàn)有的機(jī)翼進(jìn)行大致的分類，總結(jié)來(lái)看可以分為紅色圈內(nèi)的幾大類：縱向型、橫向型、放射型、外框型，另外就是混合型。下面將介紹初定材料的基本屬性。 圖 412 橫向型柔性翼結(jié)構(gòu)布局圖 圖 413 橫向型柔性翼變形圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 26 (3)放射型機(jī)翼因?yàn)樵跈C(jī)翼前端根部有支撐整個(gè)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)，所以分出下圖三角型小區(qū)域作為固定端，分析時(shí)就不考慮此部分的變形，即和飛行器機(jī)身一樣視作無(wú)變形的剛體。放射型的柔性機(jī)翼形變量扭轉(zhuǎn)和彎曲的比例要最小，即在扭轉(zhuǎn)和彎曲的協(xié)調(diào)上最好且變形量大。 ②金屬基復(fù)合材料 以金屬、金屬合金及金屬間化合物等做基體，又可細(xì)分為輕金屬基、高熔點(diǎn)金屬基及金屬間化合物基等。 ④連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 30 圖 51 單層纖維增 強(qiáng)復(fù)合材料 以無(wú)限長(zhǎng)纖維做為增強(qiáng)相，如玻璃纖維、 Nicalon、碳纖維、碳化硅纖維等。 碳纖維 90 碳纖維 45 碳纖維 0 碳纖維 45 碳纖維 90 彈性模量 GPa 泊松比μ 拉伸強(qiáng)度 MPa 密度 g/錯(cuò)誤 !未找到引用源。 圖 57 放射型布局形式示意圖 圖 58 放射型受力應(yīng)變圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 35綜合上述可以知道，運(yùn)用復(fù)合材料后機(jī)翼的受力和變形發(fā)生了變化，但是總體變形的大致形狀不變。而且從圖中還能知道，放射性機(jī)翼由 于結(jié)構(gòu)布局的不太合理，剛度差，所以扭轉(zhuǎn)和彎曲變形要比縱向型大一個(gè)數(shù)量級(jí)，因?yàn)椴荒軡M足氣動(dòng)方面的要求，所以也不被我們納入考慮范圍。而現(xiàn)階段需求對(duì)這種柔性翼產(chǎn)生的升力缺陷的一種補(bǔ)償?shù)慕鉀Q方法，在此我們考慮了使柔性翼的剛度變大，但是這樣會(huì)影響柔性機(jī)翼的抗風(fēng)性能，得不償失。下反安裝角效果圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文