基于等效方法的飞机结构重量估算

发布时间：2020-07-25 10:01

【摘要】：在飞机设计过程中,飞机重量关系到飞机的飞行性能及经济适用性,是决定飞机设计成败的重要因素之一。尤其是在飞机总体设计阶段,初始尺寸的设计对飞机重量具有重大影响,而传统的经验公式法由于种种限制,已经不能满足对新构型和新材料飞机的重量估算,有限元法又十分的耗时,因此为了快速准确的评估飞机重量本文研究了一种等效建模的方法。本文将等效平板方法(Equivalent Plate Method,EPM)应用于飞机总体阶段的机翼结构重量估算,通过MATLAB与C语言混合编程技术,实现了基于一阶剪切变形理论(First-order Shear Deformation Plate Theory,FSDPT)的EPM方法。该方法建立在多项式位移函数的基础上解析地描述了整个结构在载荷作用下的形状变化,并通过静力学和动力学分析求解模型的位移解析解。然后根据EPM法发展研究机身段基于壳的等效建模方法,并进行验证分析。该方法在保证计算精度的前提下具有较快的计算速度,且适用于新材料飞机,该方法可看作是介于经验公式和有限元法之间的方法。本文的主要工作如下:(1)研究了基于一阶剪切变形理论的机翼等效平板建模方法和基于等效机身加筋壳段建模方法,通过MATLAB与C语言混合编程来实现该方法;(2)通过对机翼盒段与机身加筋壳段的有限元建模分析,验证等效建模方法的可行性,并研究了不同Ritz基函数的选取对计算结果的影响,给出选取建议;(3)以MATLAB程序为基础通过iSight优化软件平台建立机翼和机身结构重量估算与优化流程,并最终得到满足刚度和强度要求的最优重量。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V221.5
【图文】：

螺旋桨飞机,航程,重量

因此，重量控制程序的基本任务是重量估计。在飞机设计过程中论证方案、工程研制、设计定型、试生产以及飞机服役期的全生命周期计还服务于飞机参数选择、总体布置，以及飞机的性能、载荷、气动弹后计算得到的结果数据在某种程度上决定了飞机研制的成败。因此，在段，准确估计飞机的重量是至关重要的。重量的错误估算将会带来许多不必要的损失或者严重的后果。高估最将会导致所研制的飞机在市场上失去足够的竞争力。并且飞机重量的增爬升率下降、起飞和着陆距离增加，若想保持性能不变则必须减小飞机性能指标保持不变，结构重量增加将导致油耗增加，导致需要更大的发时需要更强的起落架以及较大的机翼面积和尾翼面积。而在设计过程的低估可能会导致制造商在生产阶段遭受财务处罚，这是由于在后期减重计未能达到目标造成的。显示了重量如何影响螺旋桨驱动飞机的航程。举个例子，一架飞机，在 20%在可用范围内最多减少 10%。在商用飞机的情况下，这一价值可能少 20%可以使设计达到的最大范围增加 15%。

分解图,分解图,飞机

由于分析中涉及的变量数量众多，这些也是权重预测最具挑战性的两个领域[1]。图 1.2 飞机空载重量分解图1.2 重量估算研究现状重量估算自 20 世纪 30 年代作为一个单独的分析领域出现以来，在航空航天工业中获得了更大的相关性。近年来，对既具有成本效益又更有利于环境的设计的需求日益增加，也促使人们努力采用更有效和更精确的重量估计方法。因此，为了满足市场需求，航空航天工业已将其重点转向新的结构、节省重量的材料和替代的生产方法。因此，传统的重量估算方法在可靠性和准确性方面越来越受到限制。目前的大多数方法是经验性的，因为它们是基于从数据库中统计得出的公式。因此，它们的结果往往体现传统配置和设计的特点，以及已确立的技术，而不是新的趋势。因此，为了提高重量估计能力，经验公式方法已被更精确的分析和半分析公式所取代或与之结合，将载荷分析与统计技术结合起来，以便更详细地包含航空航天设计的性质，并减少重量预测的误差。最初，这些方法都是独立的过程，目的是生成最终的权重分解，以便进行性能评估。在过去的几年里，这种情况发生了很大的变化，因为权重推导的解析方程已经开始与结构分析和 CAD 建模程序相联系。然而，在整个设计周期中，这些方法从来没有单独使用过。经验公式和半解析公式在概念和初步阶段占主导地位，这些阶段的设计知识有限。在这个阶段，公式往往很简单，被分析的权重与有限数量的参数有关。这使得它们非常适合为不同配置提供快速的权重评估和设计空间的快速定义。但是另一方面，这也限制了这些方法分析的结果所能达到的精确度。目前现有的重量估算方法主要分为两大类：一类是基于统计学的经验公式方法，一类是基

模型图,升力面,模型,内部特征

南京航空航天大学硕士学位论文些段的最小数量能够表示整个配置。结构的内部特征在定义的段内建立模型。因此，单个板段可以用来建(即大量段)的 ELAPS 模型可以反映 FEA 模型的细节 ELAPS 的好处随着复杂模型的出现而迅速减少。然 FEA 更简单的模型，从而允许更短的设计周期。

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