机翼前缘及气动弹性优化设计研究进展

秦 琴，李立强，易清洋，邵云峰

(四川大学锦城学院智能制造学院，成都 611731)

机翼作为飞机的主承力构件，其主要作用是产生升力。驾驶员通过操纵机翼前缘和后缘的活动部件，改变机翼形状，控制机翼升力或阻力分布，达到增加升力或改变飞机姿态的目的。从机翼固定前缘的结构设计、机翼气动弹性设计及机翼复合材料等方面综述了机翼设计研究进展。

1 机翼固定前缘的优化设计

机翼固定前缘对飞机抵抗鸟撞性能有直接影响，优化其结构设计是解决该问题的主要手段。机翼固定前缘分为上蒙皮、下蒙皮及辅助梁。蒙皮是壁板结构的承载组件之一，对机翼壁板的稳定性、承载能力及结构效率有很大影响。何周理[1]等通过实验得出挤压蒙皮-长桁结构的承载能力要优于钣弯长桁-蒙皮结构。K.L.TRAN[2]通过实验证明蒙皮曲率半径对壁板的抗压强度有影响。方阳[3]等在研究民用飞机壁板蒙皮结构优化设计时，探讨了蒙皮厚度对壁板总质量的影响，并确定了壁板蒙皮厚度为1.78 mm。SCOTT[4]研究发现，其厚度不应低于1.8 mm。雷一鸣[5]在分析机身壁板压缩稳定性时得出蒙皮有效宽度为蒙皮厚度的30倍。戴栀[6]根据飞机飞行环境的不同，探讨了对水陆两栖飞机固定前缘的设计，将机翼固定前缘的材料优选为2024-O(包铝)、热处理为T3状态，用能量比较法算出内外蒙皮的厚度，满足抗鸟撞的要求，并利用内波纹板和蒙皮铆接形成一个空腔，形成防冰腔结构，达到防止机翼结冰的目的。黄天勇[7]等针对机翼前缘蒙皮的抗蚀性，利用阳极氧化法、化学氧化法、磷化底漆法等对蒙皮表面进行处理，不仅可以使蒙皮具有装饰性，还使其具备耐高温和耐摩擦等防护性能。

2 机翼壁板气动弹性优化设计

高空飞行时，飞机机翼会受到来自不同方向的气流压力，机翼结构会随着空气动力增大发生弹性变形，这种弹性变形会改变气流压力，导致结构发生弹性变形，此时就构成了气动弹性现象。飞机气动弹性设计主要从机动载荷、复合材料机翼壁板、铺层比例三方面进行优化。

2.1 气动弹性分析

气动弹性分析主要依靠气动力计算和结构计算精度的提高。Manoj K.[8]等人提出计算精度主要依赖于更高精度的插值算法对力进行传递并实现位移过程。在此基础上，景武[9]等人利用CFD软件和CSD软件进行分析，将有限元法和NS方程融入计算中，研究静气动弹性变形对机翼的影响，得到大展弦比机翼在空气动力载荷下升阻比会下降，且翼尖容易失速。季开云[10]等人同样使用CFD和CSD软件，运用有限元法和高精度NS方程研究不同攻角对气动特性的影响。结果显示，在外加载荷作用下，机翼产生弹性变形，升阻比和升力系数会减小，但是随着攻角的增大升力系数也会增大到理想状态。杨体浩[11]等考虑静气动弹性的影响，采用RBF插值技术的松耦合分析方法，建立了气动-结构一体化设计，并将结构设计嵌在气动设计中，对整个过程进行优化，最终提高了5.63%的航程和6.53%的升阻比。

2.2 机动载荷

机动载荷是机翼结构分析和设计的基础[12]，根据不同飞行状态进行机动载荷计算，选出临界载荷状态，用于机翼的结构分析和设计。目前，分析气动力的方法主要是理论气动力计算，理论气动力分为线性和非线性计算。杨佑绪[14]等采用等效多板模型研究翼面结构动力学特性，利用ZONA面元法计算气动力，并考虑颤振速度的影响，取得了减重效果。由于气动力计算具有局限性，因此杨超[12]等人研究出了一种载荷修正模型，该模型可以得到适合结构设计的载荷，以此来预测实际载荷，从而优化气动弹性结构，达到减重目的。杨佑绪等[13]通过试验得知，当载荷修正系数趋近于0时，预测载荷趋近于试验气动力产生的载荷；当载荷修正系数趋近于1时，预测载荷趋近于理论气动力产生的载荷[13]；当两种气动力的线性缩放系数同时是1时，其最优结构质量比之前高出3.4%。此研究结果可用于小展弦比的飞机机翼优化。在优化求解过程中用到了遗传-敏度优化混合算法，该混合算法[14]结合了遗传算法全局搜索，并定位准确比敏度优化算法搜索效率高。

2.3 复合材料机翼壁板

目前，飞机机翼壁板大多采用大展弦比的机翼，如中国民用飞机C919。长航时无人机也基本采用大展弦比复合材料机翼，如美国航空环境公司[15]的“太阳神”系列无人机及英国奎奈蒂克公司[16]的“西风”系列无人机，由于表现出较好的气动弹性，向锦武[17]等人对现有的大展弦比复合材料机翼进行了分析、设计，总结出现有的大展弦比复合材料机翼的结构模型多采用等效梁板模型，可以有效提高分析效率。毛纪峰[18]对长航时飞机在气动载荷作用下大展弦比机翼对气动弹性的影响进行了分析，提出在设计时应保证气动设计与偏离设计的匹配。

机翼壁板的展弦比大，机翼弯扭耦合特性较突出，气动弹性效应显著[19-20]。设计时的主要问题是气动弹性的相互耦合，针对此问题，章怡宁[21]等对飞机翼面结构使用了复合材料，达到提高气动弹性性能的目的。万志强[22]等考虑颤振、强度、飞行载荷的影响，运用遗传-敏度算法，对机翼结构重新设计，达到了最小质量要求。梁路[19]等人通过研究颤振、静气动弹性响应和结构强度/应变三种约束，得出机翼使用复合材料制造，在满足颤振速度等条件下，能够获得良好的减重效果，可有效提高机翼整体刚度。王斐[23]等对大变形机翼采用几何非线性气动弹性设计，避免线性分析的局限性，同时采用蚁群算法和直接搜索算法替代了线性优化设计初始值，省掉迭代分析，提高了设计效率，获得了更高精度的设计，降低了结构重量。

此外，机翼壁板开始使用复合材料。吴崇周[24]通过对比国内外钛合金的性能，指出TC25和TA15合金综合性能较好、成本低且加工简单，可作为飞机重要部件材料。蒋红琰[25]等针对现代制造机翼硬度高、加工简单、材料利用率高的需求，使用闭式等温锻造工艺对Ti-6Al-4V合金的性能进行研究，结果显示，相对于传统工艺，等温锻造工艺可以明显改善机翼机械性能，并将材料利用率提升到50%。

2.4 铺层比例

针对铺层比例，起初的设计与试验并没有取得一个合适的比例，且铺层比例对颤振速度与副翼效率的影响是不同的。梁路[19]等经过实验分析表明，对颤振速度有利的铺层比例一定会使副翼效率降低。冯雁[26]等利用有限元分析软件进行分析，运用遗传算法进行优化，结果显示，提高机翼上下翼面0°的铺层比例、前缘±45°的铺层比例，可加强机翼结构承载性能。ShIRK M H[27]通过调节非均衡程度，可以达到减小翼尖变形的目的，并优化气动弹性性能。万志强等人[28]通过建立不同掠角、非均衡程度铺层的气动弹性模型，来分析重载荷下复合材料机翼的性能，结果显示，非均衡程度增加有助于提高前掠翼的发散速度及改善气动弹性性能。周磊[29]等人在大展弦比的基础上利用遗传算法和敏度算法，对气动弹性设计进行优化，结果表明，铺层比例设计中，采用变化比例的铺层，可取得明显的减重效果，结构效率更高。

3 设计建议及结语

为进一步提高机翼强度和刚度，在复合材料和机翼结构质量方面，应考虑机翼壁板刚度匹配问题。可运用遗传-敏度优化混合算法，在合适范围内选择大的刚度比，得到最优的机翼结构质量，以降低机翼结构重新设计的风险。

可选用新型热处理强化铝合金，如Al-Li合金，它具有质量轻、强度高的特点，具有高周疲劳抗力。

可以在机翼蒙皮壁板内段与中段使用较高的0°铺层比例，在外段使用较高的±45°铺层比例，优化铺层比例分布，可以实现更合适的刚度分布和更优的减重效果。

机翼固定前缘的力学性能关系到飞机飞行时的稳定性和安全性，可对蒙皮采用新型表面处理工艺来提高其综合性能，加强蒙皮设计，改进其表面处理方法。