机翼结构质量分配方法探讨

许永标

摘要：在进行飞机设计时，机翼结构的重量的分配十分重要。但是机翼结构的质量分配需要考虑诸多因素，提出一种机翼结构的质量分配方法。进行机翼结构的质量分配时，一般将其按照一定比例分配到承剪结构、承弯结构、起落架结构、气动荷载结构、燃油结构、前后缘结构以及其他一些附属结构等。需要对机翼结构的质量分配的方法进行探讨，分析质量分配方法的合理性和有效性。

Abstract： in the plane design， the weight of the wing structure of the distribution is very important. But the quality of the wing structure allocation need to consider many factors， put forward a method of the quality of the wing structure distribution .Assign the quality of the wing structure， general according to certain proportion assigned to its bearing shear structure， the structure of the bending， the gear structure， the structure of the pneumatic load， fuel structure， front and back edge structure and other adjacent structures， etc. Need to assign the quality of the wing structure method were discussed， the rationality and validity of the analysis quality distribution method.

关键词：机翼结构;质量分配;探讨

Key words： the wing structure; The quality of distribution; To discuss

1.引言

随着我国航空业的不断发展，飞机的设计越来越受重视，而对于机翼结构的设计更加重要。机翼结构的重量在飞机整个结构的重量中占很大比例，对于飞机的重要性和作用不言而喻。机翼结构的质量的分配的好坏对于飞机的设计的合理性具有重要意义。常用的一些分配方法往往不会满足对于飞机机翼结构的要求，因此，要分析机翼结构的质量分配方法，选取最合适的分配方法进行设计，保证飞机设计的合理性。

2.机翼结构质量分配方法

2.1 经验公式法

经验公式法，即统计分析法，其主要为对多年积累的数据进行统计、分析，采用一些公式拟合软件求得机翼结构的质量分配间的数学表达式，进行估算机翼结构的重量，进行质量分配。由于这些数学表达式是将飞机的一些性能参数进行线性回归，因此计算过程中所需的计算量小，需要的数据少，计算方便，非常适用于飞机设计的初级阶段。各种类型的飞机的机翼结构的质量基本都可以根据相应的经验公式计算得到，很多都已经作为一些基本信息应用于飞机机翼结构质量分析软件中，如ACSYNT 、AAA等。但是，由于飞机的设计的不断发展，其局限性越来越被方法，该方法的精度与飞机机翼的几何形状、材料等有很大关系，一旦采用一些新兴材料或者一些新的机翼形状，其误差便会很大，本方法就不适用了。

2.2 工程梁方法

工程梁分配方法是以对机翼结构的承载力的受力进行分析为理论基础进行的。该方法仅对机翼结构的翼盒重量进行评估，其他结构的质量的分配仍然采用根据已有数据进行经验总结。该方法假设机翼结构为墙梁式结构，将机翼结构的受力分为承剪结构、承扭结构和承弯结构共三大部分，之后对这些结构进行重量分配，之后以一定的修正方法进行修正。该方法主要考虑了机翼结构的形式、材料的种类、荷载情况以及机翼结构零件等因素，对于机翼结构的质量分配加以修正，可以适应机翼结构威新材料的要求。但是由于其仅仅考虑了机翼结构的翼盒，因此不能适用于一些不常规的机翼形状。基于此，Chambers等科学家编写了该方法的程序PDCYL作为对其不足的补充填充到美国NASA飞机机翼结构的质量分配方法中，以提高应用范围。

继工程梁法后的等效平板法采用了全局里兹法分析计算，其不考虑飞机机翼结构的形状，不用有限元计算但可以做到与有限元计算方法类似的结果，计算快速方便。但是，其与工程梁法相比，所计算出的飞机机翼的结构刚度偏大，因此其应用范围较小。

2.3 有限元法

有限元法是利用计算机技术和CAE技术进行建立机翼结构模型，对于机翼结构在不同载荷情况下的刚度、稳定性等进行研究，最终得出机翼结构的质量分配方法。通过现有的绘图软件如UG、proE等建模，采用一些有限元软件如ANSYS、PATRAN等进行计算分析，最终得到机翼结构的分配方法。采用计算机有限元计算方法，可以将整个计算流程实现自动化，可以批量计算得到结果，可以多次修改计算结果直到最优分配方法，其不仅减轻了飞机设计工程人员的负担，也极大的缩短了飞机设计的周期。该方法可以根据真实的飞机进行建模，对于设计的机翼结构的结构形式没有要求，可以根据设计构想分析各种形状的飞机机翼，同时，采用计算机计算使得计算精度可以得到保证。但是在飞机初始设计阶段，主要的设计参数等不能确定，有限元计算不能输入合理地数据，则不能对于飞机机翼结构进行详细的计算。但是，一些飞机公司做了一些尝试进行修改，美国的NASA研究中心在建立机翼模型，进行有限元分析时提出了一些相应措施，提高了该方法的适用性。

2.4 修正的新型质量分配模型法

修正的分配法采用结构分析的原理，通过建立飞机机翼结构模型，采用参数优化的方法确定模型的结构的修正系数，进而得出机翼结构的分配模型，最终进行机翼结构的质量分配。其加机翼结构质量分为基本翼箱质量Wbox和次结构质量Wsub。将基本翼箱质量Wbox分为承剪的结构的质量Ws、承弯的结构的质量Wb、起落架的安装结构的质量Wgd、分布的气动载荷结构的质量Wbkd、油箱结构的质量Wfe和外挂物安装影响结构的质量Wps共六部分（图1）。将次结构的质量Wsub分为次结构的前缘结构的质量Wle、次结构的后缘结构的质量Wte、副翼结构的质量Wa、机翼机身接头的质量Wfw、襟翼结构的质量Wfl和其他结构的质量Wmis共六部分（图2） 。

图1 基本翼箱结构示意图

图2 次结构示意图

根据各部分的质量分配公式计算各部分的质量，将上述各部分所计算得到的质量相加，即可得到整个机翼结构质量。考虑到计算精度，需要对于各部分进行修正计算，最后得到修正后的结构质量。采用有修正系数的质量分配方法计算比较快速，结果比较准确，提高了在飞机机翼设计时机翼结构质量的准确性。

3.结语

在飞机设计发展的不同阶段，产生了不同了设计方法，相应的，作为飞机设计中重要的组成部分的飞机机翼设计的方法也在不断创新。由最早的经验公式分析法、工程梁分析法到有限元法和修正带分配模型法，各一种方法均有一定的代表性，经验公式法和工程梁法成型较早、方法比较成熟，但是对于新时代一些新材质、新造型的一些飞机确不适用，有限元法和修正的分配模型法虽然起步较晚，但是与科学技术相结合，可以很好解决上述问题。因此要总结各个方法的长处，通过对各种方法的探讨，分析个方法的适用性，以便更好的适用于当前飞机机翼结构设计中。

参考文献：

[1]吴斌.基于数学规划法的飞机机翼结构分层次优化设计方法研究[J]，飞机设计，2012（4）