一种变形襟翼的结构设计

郭仕贤

【摘 要】本文描述了一种变形襟翼结构的设计与分析。不同于传统连接在机翼固定后缘上的刚性襟翼，变形襟翼主要由三个组件组成，主要包括带加强长桁的柔性上下蒙皮，带扭曲盘的曲梁驱动机构及扭曲盘与扭曲长桁的连接结构。本文主要介绍了曲梁、扭曲盘、扭曲长桁和盘与长桁的连接设计。

【关键词】变形襟翼；曲梁驱动机构；扭曲盘

1 研究背景

在各种类型的交通方式中，航空旅行持续不断的高速增长。不断增加的燃油费用和航空发动机排放的废气对全球环境的潜在影响推动工业界寻求减少碳排放的解决方案。为了减少燃油费用和降低产品运营成本，飞机制造商需要生产高性能，高效率，低成本同时对环境影响更小的飞机。欧洲委员会在《展望2020报告》[1]中提出了严苛的要求，包含在未来几十年内不断减少二氧化碳、二氧化氮的排放并且降低飞机噪音。

在过去几十年，尽管飞机的性能和功能在不断的改善，然而现代飞机总的来讲仍然与几十年前的老飞机非常相似。操作空机重量（OEW）与最大起飞重量（MTOW）的比率被作为飞机结构效率的指数。Babikian et al在[2]中指出这些参数在过去的50年里并没有太大的改变，见图1。此外，在做了很多的研究工作后，传统的设计概念和方法几乎都已经达到了优化的极限。由于这些原因，现在的技术不能满足为未来几十年设定的高性能和高要求的目标。

一种创新的并且非常有前途的解决方案就是变形技术。变形技术可以定义为飞机具有在一定的驱动下可以连续改变形状的能力。变形技术的使用将使得机翼能够光滑的改变形状，在不同的飞行阶段获得近似优化的升阻力包线，并因此降低油耗，降低噪音，减少碳排放。

2 变形结构的概念

变形结构的设计由于一些相互矛盾的要求有很大的挑战。比如从结构的观点来看，变形襟翼应该有很大的柔性以便改变蒙皮形状，但是同时需要有足够的刚度来承受气动载荷。

2.1 曲梁概念

这个概念包含一个水平放置在襟翼后缘的由旋转作动器驱动的曲梁和盘。由于曲梁通过盘连接到襟翼的上下蒙皮，它的旋转会带动襟翼蒙皮的变形。图2示出了曲梁和盘的结构示意。

这个概念可能看起来非常简单，然而这个概念的难点在于如何使它正常运动。因为盘与变形蒙皮的相对运动，在曲梁转动时与襟翼蒙皮接触的点始终是盘的垂直极限点。在转动过程中，盘上的垂直极限点除了有垂向的运动以外，还有水平方向的运动。

如图3，当盘的平面垂直于曲梁时，褐色的梁和盘处在0°位置，绿色的线是通过垂直极限点的盘的直径。黄色的梁和盘处在90°位置，黄色的线是通过垂向极限点的盘的直径。从图中可以看出盘上半部分的垂向极限点往后运动而下半部分的垂向极限点往前运动。

对于小的偏转，蒙皮上的点可以近似看成是绕后缘上的点转动。上粉色曲线绕A点旋转，而下粉色曲线绕B点旋转。图4中粉色的曲线是变形前的襟翼外形，绿色的曲线是变形后的襟翼外形，白色的曲线是后缘点的轨迹。上下蒙皮都往前运动，但是上蒙皮的位移比下蒙皮多。因此，当蒙皮向下变形时，固定在上蒙皮上的点将向前运动而在下蒙皮上的点将会相对的向后移动。由于这个原因，垂直于曲梁的盘将会导致蒙皮与盘的相对滑动。

2.2 扭曲盘概念

该设计使得盘扭曲并保持盘垂直于长桁轴线，这样在任何时候，盘能够随着长桁运动。图5给出了一个圆盘与扭曲盘的结构对比。该设计的挑战在于需要找出扭曲盘的正确形状。

3 驱动机构设计

3.1 输入参数

本文取NACA4412翼型为例来研究，取弦长为1200mm，展长为500mm，变形部分从弦长50%处开始直到翼型尾缘。

3.2 曲梁曲率公式

本文中梁的曲率公式用于给出梁的形状并控制蒙皮的变形。基于3.1节中的尺寸及以下两个假设：

1）襟翼尾缘最大变形角θmax等于10°

2）梁的公式与悬臂梁在分布式载荷作用下的位移类似。

3.3 梁的旋转轴

梁的旋转轴是曲梁的旋转中心。轴是由变形襟翼的中弦的前点和后点的连线创建。在图7中建立了一个坐标系，x为弦向，y为展向，z为垂向。

3.4 曲梁

在CATIA中生成曲梁后，以10°为步长，将曲梁绕旋转轴从0°旋转到90°，得到曲梁在运动中的十个不同状态。

3.5 蒙皮与长桁的运动

变形蒙皮的偏转与梁的旋转运动相对应，在此做出了上下蒙皮从0°到90°之间的十个状态，代表蒙皮形状的十条曲线在CATIA以平行曲线功能■使用法则创建。

在图9中，每一种颜色代表上下蒙皮在同一个位置的状态。比如，两条黄色的线代表上下蒙皮在10°偏转角时的位置。长桁用来增强蒙皮的刚度同时连接扭曲盘使得扭曲盘能在长桁上滑动。长桁截面选用I型截面，并假定有固定的腹板高度。

需要注意的是，沿着展向来看，蒙皮与盘的角度在持续断改变。这意味着盘的运动并不是直线运动。解决方案是采用连续改变截面形状的扭曲长桁，以保证扭曲盘与长桁缘条垂直。在梁旋转时盘沿着y方向滑动，在不同旋转角度下的长桁截面可知。考虑到长桁腹板总是垂直于蒙皮，而长桁的缘条垂直于盘的半径，因此在每一个旋转角度下的腹板与盘的角度可知。

3.6 扭曲盘

通过以上创建点建立十条穿过这些点并与y轴平行的线，并编号为L0u到L9u，见图14。

图15的连线显示了长桁与梁的不同连接状态，长桁与盘的角度在不断变化。梁上的点在yz平面以圆为轨迹运动，在xz平面梁上的点的投影沿直线运动。而蒙皮上的点在xz平面内以圆为轨迹运动，这将导致盘的扭曲。下长桁与盘的连接类似。在所有长桁与梁的连接创建好之后，下一步就是将它们旋转回初始位置来创建盘。比如，10°转角的连接线应该绕转轴旋转-10°到初始位置。建好的盘如图16。

3.7 曲梁机构

要将长桁与盘连接起来，需要设计一个机构来允许它们之间的滑动与转动，示意图见图17。两个C型结构各有两个滚轮。为了能够正常工作，盘也需要有缘条用来与长桁连接。

以上描述的C型结构在二维情况下解决了问题，然而三维情况要更为复杂。C型结构连接扭曲长桁与扭曲盘，因此它也是扭曲的。然而，C型连接结构自身没有固定，它不能承受沿X方向的载荷。为了解决这个问题，C型结构需要加长才有空间连接在一起，同时没有在长桁上或者盘上打任何孔，见图18。两个C型结构以螺栓连接。

3.8 在开口后缘处的滑动连接

在后缘上下蒙皮之间沿着x方向有相对运动，图19表示了一种可能实现在襟翼后缘滑动连接的解决方案。上下蒙皮后缘采用楔形块结构，在下蒙皮布置一个带缘条的圆柱，而在上蒙皮上开槽，因此当上下蒙皮滑动时，滑轨与圆柱缘条仍然能够连接在一起，避免垂直方向的运动。

4 结论

本文基于前人对曲梁驱动机构及变形襟翼设计的研究。主要贡献在于曲梁机构的详细设计，尤其是盘的形状设计，以满足特定的变形襟翼的形状要求。详细设计了曲梁机构中的每个零件，包括曲梁和扭曲盘。梁的曲率，盘的安装角度和扭曲形状都是设计中的关键参数。襟翼变形形状可以通过对以上机构参数的优化来实现。

【参考文献】

[1]Arguelles， P.， Bischoff， M.， Busquin， P.， Drost， B. A. C.， Evans， R.， Kroll， W.， Lagardere， J.， Lina， A.， Lumsden， J.， Ranque， D.， Rasmussen， P.， Reutinger， P.， Robins， R.， Terho， H. and Wittlov， A. （JANUARY 2001）， EUROPEAN AERONAUTICS： A VISION FOR 2020-Meeting societys needs and winning global leadership.

[2]Babikian， R.， Lukachko， S. P. and Waitz， I. A. The historical fuel efficiency characteristics of regional aircraft from technological， operational， and cost perspectives[J]. Journal of Air Transport Management， 2002，8（6）：389-400.

[3]Perera， M. and Guo， S.， Optimal design of an aeroelastic wing structure with seamless control surfaces，2009.

[4]Lemoine， P. and Guo， S.， Design of an actuation mechanism for a seamless aeroelastic wing / P. Lemoine，2008.

[责任编辑：汤静]