小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)超大展弦比輕質(zhì)主梁設(shè)計(jì)

李 冰，高 永，郭衛(wèi)剛，康小偉，孟 浩

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái)264001）

小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)超大展弦比輕質(zhì)主梁設(shè)計(jì)

李 冰，高 永，郭衛(wèi)剛，康小偉，孟 浩

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái)264001）

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)表面需要鋪設(shè)太陽(yáng)能電池，這就要求太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)要同時(shí)滿(mǎn)足不影響太陽(yáng)能電池效率的光學(xué)特性和要達(dá)到足夠強(qiáng)度、剛度的力學(xué)特性。文章針對(duì)小型太陽(yáng)能飛機(jī)超大展弦比機(jī)翼進(jìn)行輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，過(guò)程中充分考慮超大展弦比機(jī)翼的柔性變形，對(duì)比不同的設(shè)計(jì)方案并提出合理設(shè)計(jì)方案。

太陽(yáng)能；超大展弦比；輕質(zhì)結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能飛機(jī)因其高升限、超長(zhǎng)航時(shí)的特性在軍用、民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。各國(guó)都針對(duì)太陽(yáng)能飛機(jī)展開(kāi)相應(yīng)研究。但因現(xiàn)階段太陽(yáng)能電池的效率仍處于較低的水平，迫使太陽(yáng)能飛機(jī)依靠著微弱的能量平衡進(jìn)行飛行[1-7]。因此，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)能源一體化等技術(shù)成為支撐太陽(yáng)能飛機(jī)飛行的關(guān)鍵技術(shù)[8-11]。

當(dāng)前，高比強(qiáng)度的復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于大型太陽(yáng)能飛機(jī)[1]，如：太陽(yáng)神、太陽(yáng)脈動(dòng)等。但對(duì)小型太陽(yáng)能飛機(jī)復(fù)合材料的使用相對(duì)比較困難。若僅以強(qiáng)度考慮承力部件的幾何尺度過(guò)小，易造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。[12-18]

本文針對(duì)小型太陽(yáng)能飛機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出3種主梁設(shè)計(jì)方案，并對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)選擇合理方案。

1 主梁方案

機(jī)翼主梁的設(shè)計(jì)主要考慮強(qiáng)度、穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性。參考國(guó)外相應(yīng)資料，本文機(jī)翼主梁設(shè)計(jì)主要考慮碳管梁、碳片-增穩(wěn)材料、碳型材3種結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求平飛狀態(tài)下的最大彎矩為：M′max=23.872 N?m。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 碳管梁

碳管作為主梁，見(jiàn)圖1。其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易。一般碳管都是整體成型，其結(jié)構(gòu)完整性較好，在機(jī)翼受到各種載荷的情況下不易發(fā)生應(yīng)力集中。

碳管最大彎曲正應(yīng)力為：

式（1）中：D為碳管外徑，由于機(jī)翼厚度的限制取最大值27mm；d為碳管內(nèi)徑。

碳纖維需用應(yīng)力為：抗拉強(qiáng)度σbt=1 415 MP、抗壓強(qiáng)度σbc=1 232 MP。

由σmax≤σbc得：d=0.026 73mm，即機(jī)翼主梁需要外徑為27mm，壁厚為0.135mm的碳管。

碳管的壁厚決定了其穩(wěn)定性，0.135mm壁厚的碳管需要進(jìn)行增穩(wěn)，以保證其穩(wěn)定性。對(duì)于這種小直徑碳管的增穩(wěn)，采用增加壁厚的方式較為合適。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，碳管的壁厚至少要增加到0.5mm，才能保證彎曲穩(wěn)定性，因而選取壁厚為0.5mm碳管作為機(jī)翼主梁。

碳管梁為全翼展梁，無(wú)法進(jìn)行變截面設(shè)計(jì)。其質(zhì)量為：

2.2 碳片-輕木復(fù)合梁

小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)的載荷較低，采用碳纖維復(fù)合材料作為主梁緣條，其截面較小，失穩(wěn)問(wèn)題不可避免。碳片-輕木復(fù)合結(jié)構(gòu)梁主要用于解決機(jī)翼主梁上緣條的失穩(wěn)問(wèn)題。如圖2所示，梁上緣的碳纖維單向片粘貼于輕木上，外側(cè)再包裹一層45°織向的碳纖維布。該結(jié)構(gòu)用上下碳纖維單向片承擔(dān)機(jī)翼彎矩，外層包裹的碳纖維布與前盒段一同承擔(dān)扭矩，輕木主要用于防止碳纖維失穩(wěn)。由于輕木的彈性模量遠(yuǎn)小于碳纖維，因而忽略其承載能力。

1）緣條選擇。取梁的寬度為b=10mm，則計(jì)算上下緣條的最大彎曲正應(yīng)力：

碳纖維需用應(yīng)力為：抗拉強(qiáng)度σbt=1 415 MP；抗壓強(qiáng)度σbc=1 232 MP。

由σmax≤σbc得到：t=0.287mm。所以緣條截面尺寸為10mm×0.287mm?？紤]到成品能夠采購(gòu)到的單向碳纖維片的最小截面尺寸為10mm×0.5mm，并且其重量相當(dāng)輕（7.5 g/m），因而選用10mm×0.5mm截面的單向碳纖維片。此時(shí)，主梁能夠承擔(dān)的最大彎矩為：Mmax=160.09 N?m，相當(dāng)于6.2 g過(guò)載。

2）外層碳布選擇。外層碳布主要用于保證主梁結(jié)構(gòu)完整性，但與上下緣條及輕木增穩(wěn)盒段一同組成壁室結(jié)構(gòu)，能夠承受一定的扭矩。根據(jù)現(xiàn)有條件選擇0.1mm，45°纖維織向的外層包裹碳布。

該梁為全翼展梁，由于尺寸較小，無(wú)法進(jìn)行變截面設(shè)計(jì)，翼梁各部位質(zhì)量分別為：

緣條質(zhì)量為

WTP=2×0.01×0.000 5×4.9×1 560=76.4 g；

輕木質(zhì)量為

WQM=0.026×0.01×4.9×160=203.8 g；

碳布質(zhì)量為

WTB=2×(0.027+0.01)×0.000 1×1 560=56.6 g；

總質(zhì)量為336.8 g。

控制變量有：(1)trade，貿(mào)易依存度，即一國(guó)商品貿(mào)易總額占該國(guó)GDP的比重；(2)inv，一國(guó)接受FDI占該國(guó)GDP的比重；(3)hc，人力資本指數(shù)，基于一國(guó)人民平均受教育年限和教育回報(bào)率計(jì)算得到。

2.3 碳片-蜂窩復(fù)合梁

碳片-蜂窩夾層結(jié)構(gòu)梁與碳片-木復(fù)合梁相似，只是將主梁內(nèi)的輕木換成蜂窩夾芯。其彎矩由上下單向碳纖維片承擔(dān)，蜂窩材料起到支撐作用，防止上緣條單向碳纖維片壓桿失穩(wěn)。與碳片-木復(fù)合梁相比，蜂窩結(jié)構(gòu)的密度要小于輕木，支撐強(qiáng)度也大于輕木，主梁結(jié)構(gòu)重量更小。蜂窩夾芯與上下緣條形成多個(gè)閉室結(jié)構(gòu)，與外面包裹的45°織向碳纖維布一起承扭，能夠增加主梁的抗扭剛度，提高彎曲穩(wěn)定性。

碳片-蜂窩復(fù)合結(jié)構(gòu)梁的緣條選擇與碳片-輕木復(fù)合梁的緣條選擇相同，這里不再累述。

蜂窩的選擇：蜂窩結(jié)構(gòu)在本設(shè)計(jì)中主要用作對(duì)上下緣條的支撐作用，防止緣條失穩(wěn)，另外機(jī)翼主梁的寬度較?。?0mm），考慮到支撐力的均勻性，要求蜂窩格子尺寸盡量小。蜂窩的選擇主要考慮其格子尺寸和密度。參考標(biāo)準(zhǔn)蜂窩參數(shù)，以及成品蜂窩，選擇與LF-2-0.03比較相近的蜂窩夾芯材料?；緟?shù)為：格子邊長(zhǎng)a=2mm；鋁箔厚度σaf=0.03mm；密度ρ=73.6kg/m3左右。

該梁為全翼展梁，由于尺寸較小，無(wú)法進(jìn)行變截面設(shè)計(jì)，翼梁各部位質(zhì)量分別為：

緣條質(zhì)量為WTP=76.4 g；

碳布質(zhì)量為WTB=56.6 g；

蜂窩質(zhì)量為

WFW=0.026×0.01×4.9×73.6=93.8 g；

總質(zhì)量為226.8 g。

2.4 碳型材梁

碳型材梁是采用有一定截面形狀的碳纖維材料作為主梁?？紤]到本方案小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)主要承受彎矩，所以采用“工”字型截面的碳型材梁最為合適，如圖4所示。

“工”字型碳梁與碳片-增穩(wěn)材料復(fù)合梁類(lèi)似，也是利用上下緣條來(lái)平衡彎矩產(chǎn)生的力偶。而其相對(duì)于碳片-增穩(wěn)材料符復(fù)合梁的優(yōu)點(diǎn)，在于其本身是整體結(jié)構(gòu)、上下緣條受力時(shí)相對(duì)位移量小。這樣，機(jī)翼在受力時(shí)變形量就會(huì)小，這對(duì)于機(jī)翼上鋪設(shè)有易損壞的太陽(yáng)能電池的小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)來(lái)說(shuō)是相當(dāng)有益處的。但是“工”字型碳梁同樣有緣條失穩(wěn)問(wèn)題，僅僅依靠腹板來(lái)增穩(wěn)帶來(lái)的重量代價(jià)是相當(dāng)大的。所以，“工”字型碳梁同樣需要在其腹板兩側(cè)填充增穩(wěn)材料（本文以蜂窩材料為例）。

“工”字型碳梁的緣條尺寸計(jì)算方法與碳片-增穩(wěn)材料復(fù)合梁相同，但是“工”字型碳梁是必須定做的，其緣條尺寸不受成品限制。故選擇其緣條厚度0.3mm。因?yàn)槠涓拱迨芰苄?，故可以選擇盡量小的厚度。但是考慮到加工工藝的限制腹板厚度同樣選擇0.3mm?！肮ぁ弊中吞剂焊鞑课毁|(zhì)量分別為：

緣條質(zhì)量為

WTP=2×0.01×0.000 3×4.9×1 560=45.9 g；

腹板質(zhì)量為

WHP=2×0.026 4×0.000 3×4.9×1 560=121 g；

蜂窩質(zhì)量為

WFW=0.026 4×0.007×4.9×73.6=66.6 g；

總質(zhì)量為233.5 g。

3 方案分析

比較上述機(jī)翼主梁結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)：①在承受彎矩載荷時(shí)，碳片-增穩(wěn)材料復(fù)合梁和“工”字型碳梁的結(jié)構(gòu)效率相同，都優(yōu)于碳管結(jié)構(gòu)。②在承受彎曲剪切載荷時(shí)，碳管結(jié)構(gòu)有可能結(jié)構(gòu)效率較高。③在承受扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)，相同閉室面積情況下，碳管梁的效率更高。

考慮到機(jī)翼主梁主要用于承受彎矩載荷，并且機(jī)翼剪切載荷較小、扭矩載荷由前盒段承擔(dān)、碳管增穩(wěn)難度較大，因而不采用碳管主梁結(jié)構(gòu)?！肮ぁ弊中吞剂罕忍计?增穩(wěn)材料復(fù)合梁稍重一點(diǎn)，其抗剪能力要強(qiáng)于碳片-增穩(wěn)材料復(fù)合梁，抗扭能力次于碳片-增穩(wěn)材料復(fù)合梁。考慮到由于副翼設(shè)置在翼尖，如果機(jī)翼抗扭能力不足的話(huà)很容易造成副翼舵效不明顯，從而導(dǎo)致飛行品質(zhì)下降。而主梁所受剪力較小。因此，綜合考慮彎扭性能，碳片-蜂窩復(fù)合結(jié)構(gòu)梁更適用于小型太陽(yáng)能飛機(jī)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)小型太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)特點(diǎn)提出3種主梁設(shè)計(jì)方案，綜合考慮彎扭特性后決定采用碳片-蜂窩復(fù)合結(jié)構(gòu)梁，并制作實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度要求，表明了本文設(shè)計(jì)、分析方法的可行性。

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Design of Large Aspect Ratio Light Beam for Small Solar UAV

LI Bing,GAO Yong,GUO Weigang,KANG Xiaowei,MENG Hao
（Naval Aviation University,Yantai Shandong 264001,China）

Solar UAV surface lays solar cell,which requires the structure of solar UAV to satisfy the optical properties does not affect the efficiency of solar cell and achieving sufficient strength,stiffness and mechanical properties.The small solar powered aircraft large aspect ratio wing of lightweight was structural designed,the large aspect ratio wing flexible deformation process was fully consided,different design schemes were comparal and the reasonable design scheme was put forward.

solar UAV;large aspect ratio;lightweight structure

V279；V224

A

1673-1522（2017）05-0483-04

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.05.013

2017-02-16；

2017-07-22

李 冰（1988-），男，碩士。