毕业设计柔性机翼微型无人飞行器的设计与实现

摘要 微小型飞行器是于上世纪90年代发展起来的一种新型的飞行器，也是目前 国内外航空领域飞行器研究的重要发展方向。它有体积小、重量轻、携带方便、 成本低等众多优点，因此它有广泛的应用前景。 本文围绕团队项目“坐地起降式微型器”的设计需要，开展柔性机翼微型飞 行器的抗风设计研究。文章首先从简化的柔性机翼模型入手，将突风来流分为三 个方向，研究了柔性机翼抗突风的根本原因。然后将柔性机翼的结构分为典型的 四大类，通过建立有限元模型，采用对比的方法研究飞行器四种典型结构的受力 与变形。针对实际方案的需要，文章进一步采用轻质复合材料，进行了典型构型 复合材料柔性翼的对比，并确定最终的设计方案，并提出利用柔性复合材料机翼 的预变形来解决巡航升力问题。最后针对选定柔性翼方案，分析了柔性机翼飞行 器的实际抗风能力及其振动特性和起降安全特性。相关研究验证了柔性材料的机 翼可以增加微小型飞行器的突风适应性，使微小型飞行器能更加适应变化的外部 条件，减小外部因素对飞行器的限制，提高飞行器的生存能力。 关键字：微型飞行器，柔性翼，复合材料，抗风能力 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 anti-gust 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 composite flexible wing on cruise properties of micro air vehicle, the pre-deformation 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 aircraft's wind resistance, and it makes micro air vehicle aircraft more responsive to changing external conditions, and reduce the constraints of external factors on the aircraft, and more important for the improvement of aircraft survivability. KEY WORDS: MAV, Flexible wing, Composite materials， Wind resistance 第一章绪论 5 1.1微型飞行器简介 5 1.2柔性微型飞行器 6 1.3本文内容介绍 7 第二章柔性微型飞行器性能 9 2.1柔性翼微型飞行器受力模型简化 9 2.2柔性翼微型飞行器预想效果 10 第三章柔性翼微型飞行器的突风特性 12 3.1柔性翼微型飞行器受下突风时的稳定性 12 3.2柔性翼微型飞行器受侧突风时稳定性 15 3.3柔性翼微型飞行器受正面突风时稳定性 17 3.4柔性翼微型飞行器抗风能力综合 19 第四章柔性翼微型飞行器的结构选型 20 4.1柔性翼微型飞行器的种类 20 4.2柔性翼四种典型机翼的受力分析 22 4.3综合柔性翼受力优缺点 29 第五章柔性翼微型飞行器机翼材料 30 5.1复合材料选择 30 5.2复合材料对应柔性翼受力特点 32 5.3布局的最终选择和机翼预变形的设计 36 第六章柔性翼微型飞行器其它特性 43 6.1柔性翼的模态 43 6.2起落装置对机翼的影响 43 第七章总结与展望 47 7.1本文总结 47 7.2工作展望 47 参考文献 49 毕业设计小结 52 第一章绪论 1.1微型飞行器简介 微型无人飞行器是一种新概念飞行器，因为有体积小、重量轻、成本低、携 带方便、飞行高度低、适应性强、灵活多变、隐蔽性好，具有起飞降落不需要跑 道或者发射装置、回收装置和其他基础设施等众多优点，对未来军事作战产生深 远影响。 微型飞行器也称为MAV (Micro Air Vehicle),现在正在研究的MAV 主要有三种，一种是像飞机一样的固定翼模型，第二种是跟昆虫和鸟类一样的扑 翼模型，第三种是跟直升机一样的旋翼模型。微型飞行器跟鸟类和昆虫一样都在 低雷诺数下飞行，因此对鸟类和昆虫的研究对微型飞行器大有帮助。它们可以毫 不引人注意的进行空中侦察活动，并将其传回地面。而近些年来，微纳米科技的 和微电子科技的蓬勃发展又给微型飞行器增加了新的应用前景，正因为它有如此 众多的优点，使得它能吸引越来越多的研究者目光。以美国Florida大学的UF, “臭鼬”研制组及通用电气公司的“微型星”，加利福尼亚技术学院与瓦伊伦门 特航空公司及洛杉矶大学共同研究的“微型蝙蝠”，荷兰科学家研制的代夫尔微 型摄影飞行器等微型飞行器 图1-1微型飞行器 微型飞行器的研制现阶段的关键技术在于低雷诺数条件下飞行器尺寸小且重 量轻，要求在能完成任务的前提下，保证有小尺寸和轻重量等特点，而且要协调 动力能源系统和通讯控制装配。对微型飞行器的界定，美国国防部预研计划局有 四条指标，第一条它微型飞行器的最大尺寸不超过15厘米，第二条，最大航程 10公里以上，第三条，最大飞行速度至少达到每小时40到50公里，第四条， 最大续航时间起码达到2小时。 图1-2微型飞行器效果图 微型飞行器的兴起与微型飞行器的应用广泛有非常大的联系，微型飞行器除 了用于军事侦查外，还在交通、通讯、宇航、大气研究等众多领域有广泛的应用 潜力。在国防领域具有十分重要而广泛的研究背景，能过比其他飞行器更好地执 行的任务。在军事领域，可用于敌情侦察、目标追踪、部署传感器和中继通信等, 装有传感器和摄像头的微型垂直起降飞行器可用于低空和近距离的侦察和监视， 甚至可以飞抵并停留在建筑物顶部进行长时间的侦查、探测，因此，它在未来的 城市战区和军事行动中能发挥独特的作用现在各个国家和有实力的研究单位以 及科学爱好者都在注意力放到了这项集各种尖端技术于一身的微型飞行器研究 上来。 综上所述，可以看出微小型垂直起降飞行器的研究无论对国防或民用领域， 还是对新概念飞行器这一新兴领域的探索性研究，都具有十分重要的战略意义和 应用价值。 1.2柔性微型飞行器 柔性微型飞行器是建立在微型无人飞行器基础上的一个新兴的概念，它不同 于通过后掠角和上反角来改变机翼扭转变形的主动柔性翼技术（AAW）,是一种 通过材料本本身的特点来实现机翼变形的一种技术。柔性材料是在受力时能有较 大的形变，而去掉载荷后能恢复到原来的状态。因此，在保证飞行安全的的前提 下，给微型无人飞行器装上柔性材料制成的机翼，使得机翼在受到突风干扰时产 生较大的形变，降低附加的升力及控制力矩等，达到提高飞行器抗突风的能力， 从而使微型飞行器能更加适应多变的战场环境。 常规的飞行器设计中，机翼的气动设计是按照刚性机翼进行的，即在对机翼 的外形等参数进行优化的过程中是不考虑机翼在受到气动载荷时的变形的，反 之，也不会考虑外形的变形对气动特性的影响。而为了避免这种在气动载荷下的 变形和给飞行器在各个方面带来的不利影响，通常情况下采用的是加大结构的刚 度来防止这种变形，而这将会牺牲飞行器整体的重量，在微型飞行器低雷诺数情 况下这种方法尤为不科学。积极利用机翼的柔性变形，不仅有望能够减轻结构重量，还能达到减小突然来流对飞行器的影响。如果这种技术研究成熟，必将在未 来的微型飞行器将得到更大更广的应用。 图1-3柔性机翼微型飞行器 美国Florida大学已经研究出一系列以柔性翼为基础的微小型飞行器，并成 功装在摄像头和全球定位系统。下图是Florida大学花费7年时间研究出来的柔 性翼UF号飞行器。 图1 -4柔性微型飞行器俯视和侧视图 近年来随着人们对微型飞行器的研究热度不断高涨，新技术的应用成了人们 争相研究的热点。 1.3本文内容介绍 本文针对的是就微型垂直起降飞行器的自身特点来结合柔性翼的抗风特性， 灵活的综合两大特色来提高微型飞行器的适应性和生存能力。根据垂直起降无人 机的设计概念以及要求本文将对任务要求如下所列举的微型飞行器作为主要研 究对象： 翼展 b=250mm 小展弦比A=2左右 低雷诺数10e5数量级 巡航速度 20m/s （72km/h） 巡航高度200m 续航时间＞30min （巡航lOmin,盘旋20min） 对于此范围内的微小型飞行器柔性机翼的各种研究。因为现在的材料强度一 般能承受飞行器的结构问题，所以在不做任何其它额外的外形设计及结构调整的 情况下，基本外形如下图所示： 图1 -5单桨拉进式微型飞行器 本为出简单的介绍柔性微型飞行器外，还将深入研究柔性机翼的其他特点特 性。其中包括柔性翼飞行器机翼简化模型下的受力，在各典型突风情况下（正面 突风、侧面突风、下突风）对比刚性机翼的变形；柔性翼的各项变形所带来的收 益以及引起的性能降低；结合复合材料运用patran计算机翼变形，还有各种形 式布局的机翼的优缺点；结合实际的抗风能力以及变形特点来最后择优选择的柔 性翼形式；最后联系全