小型太阳能无人机超大展弦比轻质主梁设计

李 冰，高 永，郭卫刚，康小伟，孟 浩

（海军航空大学，山东烟台264001）

小型太阳能无人机超大展弦比轻质主梁设计

李 冰，高 永，郭卫刚，康小伟，孟 浩

（海军航空大学，山东烟台264001）

太阳能无人机表面需要铺设太阳能电池，这就要求太阳能无人机的结构要同时满足不影响太阳能电池效率的光学特性和要达到足够强度、刚度的力学特性。文章针对小型太阳能飞机超大展弦比机翼进行轻质化结构设计，过程中充分考虑超大展弦比机翼的柔性变形，对比不同的设计方案并提出合理设计方案。

太阳能；超大展弦比；轻质结构

太阳能飞机因其高升限、超长航时的特性在军用、民用领域具有广阔的应用前景。各国都针对太阳能飞机展开相应研究。但因现阶段太阳能电池的效率仍处于较低的水平，迫使太阳能飞机依靠着微弱的能量平衡进行飞行[1-7]。因此，轻质结构、气动能源一体化等技术成为支撑太阳能飞机飞行的关键技术[8-11]。

当前，高比强度的复合材料广泛应用于大型太阳能飞机[1]，如：太阳神、太阳脉动等。但对小型太阳能飞机复合材料的使用相对比较困难。若仅以强度考虑承力部件的几何尺度过小，易造成结构失稳。[12-18]

本文针对小型太阳能飞机结构特点提出3种主梁设计方案，并对比其优缺点选择合理方案。

1 主梁方案

机翼主梁的设计主要考虑强度、稳定性和结构完整性。参考国外相应资料，本文机翼主梁设计主要考虑碳管梁、碳片-增稳材料、碳型材3种结构形式。

根据总体设计方案，结构强度要求平飞状态下的最大弯矩为：M′max=23.872 N⋅m。

2 方案设计

2.1 碳管梁

碳管作为主梁，见图1。其优点为结构简单、加工容易。一般碳管都是整体成型，其结构完整性较好，在机翼受到各种载荷的情况下不易发生应力集中。

碳管最大弯曲正应力为：

式（1）中：D为碳管外径，由于机翼厚度的限制取最大值27mm；d为碳管内径。

碳纤维需用应力为：抗拉强度σbt=1 415 MP、抗压强度σbc=1 232 MP。

由σmax≤σbc得：d=0.026 73mm，即机翼主梁需要外径为27mm，壁厚为0.135mm的碳管。

碳管的壁厚决定了其稳定性，0.135mm壁厚的碳管需要进行增稳，以保证其稳定性。对于这种小直径碳管的增稳，采用增加壁厚的方式较为合适。根据经验，碳管的壁厚至少要增加到0.5mm，才能保证弯曲稳定性，因而选取壁厚为0.5mm碳管作为机翼主梁。

碳管梁为全翼展梁，无法进行变截面设计。其质量为：

2.2 碳片-轻木复合梁

小型太阳能无人机验证平台的载荷较低，采用碳纤维复合材料作为主梁缘条，其截面较小，失稳问题不可避免。碳片-轻木复合结构梁主要用于解决机翼主梁上缘条的失稳问题。如图2所示，梁上缘的碳纤维单向片粘贴于轻木上，外侧再包裹一层45°织向的碳纤维布。该结构用上下碳纤维单向片承担机翼弯矩，外层包裹的碳纤维布与前盒段一同承担扭矩，轻木主要用于防止碳纤维失稳。由于轻木的弹性模量远小于碳纤维，因而忽略其承载能力。

1）缘条选择。取梁的宽度为b=10mm，则计算上下缘条的最大弯曲正应力：

碳纤维需用应力为：抗拉强度σbt=1 415 MP；抗压强度σbc=1 232 MP。

由σmax≤σbc得到：t=0.287mm。所以缘条截面尺寸为10mm×0.287mm。考虑到成品能够采购到的单向碳纤维片的最小截面尺寸为10mm×0.5mm，并且其重量相当轻（7.5 g/m），因而选用10mm×0.5mm截面的单向碳纤维片。此时，主梁能够承担的最大弯矩为：Mmax=160.09 N⋅m，相当于6.2 g过载。

2）外层碳布选择。外层碳布主要用于保证主梁结构完整性，但与上下缘条及轻木增稳盒段一同组成壁室结构，能够承受一定的扭矩。根据现有条件选择0.1mm，45°纤维织向的外层包裹碳布。

该梁为全翼展梁，由于尺寸较小，无法进行变截面设计，翼梁各部位质量分别为：

缘条质量为

WTP=2×0.01×0.000 5×4.9×1 560=76.4 g；

轻木质量为

WQM=0.026×0.01×4.9×160=203.8 g；

碳布质量为

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

总质量为336.8 g。

控制变量有：(1)trade，贸易依存度，即一国商品贸易总额占该国GDP的比重；(2)inv，一国接受FDI占该国GDP的比重；(3)hc，人力资本指数，基于一国人民平均受教育年限和教育回报率计算得到。

2.3 碳片-蜂窝复合梁

碳片-蜂窝夹层结构梁与碳片-木复合梁相似，只是将主梁内的轻木换成蜂窝夹芯。其弯矩由上下单向碳纤维片承担，蜂窝材料起到支撑作用，防止上缘条单向碳纤维片压杆失稳。与碳片-木复合梁相比，蜂窝结构的密度要小于轻木，支撑强度也大于轻木，主梁结构重量更小。蜂窝夹芯与上下缘条形成多个闭室结构，与外面包裹的45°织向碳纤维布一起承扭，能够增加主梁的抗扭刚度，提高弯曲稳定性。

碳片-蜂窝复合结构梁的缘条选择与碳片-轻木复合梁的缘条选择相同，这里不再累述。

蜂窝的选择：蜂窝结构在本设计中主要用作对上下缘条的支撑作用，防止缘条失稳，另外机翼主梁的宽度较小（10mm），考虑到支撑力的均匀性，要求蜂窝格子尺寸尽量小。蜂窝的选择主要考虑其格子尺寸和密度。参考标准蜂窝参数，以及成品蜂窝，选择与LF-2-0.03比较相近的蜂窝夹芯材料。基本参数为：格子边长a=2mm；铝箔厚度σaf=0.03mm；密度ρ=73.6kg/m3左右。

该梁为全翼展梁，由于尺寸较小，无法进行变截面设计，翼梁各部位质量分别为：

缘条质量为WTP=76.4 g；

碳布质量为WTB=56.6 g；

蜂窝质量为

WFW=0.026×0.01×4.9×73.6=93.8 g；

总质量为226.8 g。

2.4 碳型材梁

碳型材梁是采用有一定截面形状的碳纤维材料作为主梁。考虑到本方案小型太阳能无人机验证平台主要承受弯矩，所以采用“工”字型截面的碳型材梁最为合适，如图4所示。

“工”字型碳梁与碳片-增稳材料复合梁类似，也是利用上下缘条来平衡弯矩产生的力偶。而其相对于碳片-增稳材料符复合梁的优点，在于其本身是整体结构、上下缘条受力时相对位移量小。这样，机翼在受力时变形量就会小，这对于机翼上铺设有易损坏的太阳能电池的小型太阳能无人机验证平台来说是相当有益处的。但是“工”字型碳梁同样有缘条失稳问题，仅仅依靠腹板来增稳带来的重量代价是相当大的。所以，“工”字型碳梁同样需要在其腹板两侧填充增稳材料（本文以蜂窝材料为例）。

“工”字型碳梁的缘条尺寸计算方法与碳片-增稳材料复合梁相同，但是“工”字型碳梁是必须定做的，其缘条尺寸不受成品限制。故选择其缘条厚度0.3mm。因为其腹板受力很小，故可以选择尽量小的厚度。但是考虑到加工工艺的限制腹板厚度同样选择0.3mm。“工”字型碳梁各部位质量分别为：

缘条质量为

WTP=2×0.01×0.000 3×4.9×1 560=45.9 g；

腹板质量为

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

蜂窝质量为

WFW=0.026 4×0.007×4.9×73.6=66.6 g；

总质量为233.5 g。

3 方案分析

比较上述机翼主梁结构可以发现：①在承受弯矩载荷时，碳片-增稳材料复合梁和“工”字型碳梁的结构效率相同，都优于碳管结构。②在承受弯曲剪切载荷时，碳管结构有可能结构效率较高。③在承受扭转载荷时，相同闭室面积情况下，碳管梁的效率更高。

考虑到机翼主梁主要用于承受弯矩载荷，并且机翼剪切载荷较小、扭矩载荷由前盒段承担、碳管增稳难度较大，因而不采用碳管主梁结构。“工”字型碳梁比碳片-增稳材料复合梁稍重一点，其抗剪能力要强于碳片-增稳材料复合梁，抗扭能力次于碳片-增稳材料复合梁。考虑到由于副翼设置在翼尖，如果机翼抗扭能力不足的话很容易造成副翼舵效不明显，从而导致飞行品质下降。而主梁所受剪力较小。因此，综合考虑弯扭性能，碳片-蜂窝复合结构梁更适用于小型太阳能飞机。

4 结论

本文针对小型太阳能结构、气动特点提出3种主梁设计方案，综合考虑弯扭特性后决定采用碳片-蜂窝复合结构梁，并制作实验样机。实验结果显示主梁的结构设计能够满足结构刚度、强度要求，表明了本文设计、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，硕士。