微小型飞行器结构静力实验大纲设计最终.docx
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微小型飞行器结构静力实验大纲设计最终
微小型飞行器结构静力实验
实验大纲
BY1305183聂恒昌
BY1305176王乾
BY1305170弥
ZY1305310王燕
SY1305408王泽青
ZY1305207睿
1实验名称
微小型飞行器结构静力实验
2实验依据
《微小型飞行器结构静力实验任务书》
《微小型飞行器结构静力实验指导书》
3实验目的
本实验的实验目的如下：
a）掌握微小型飞行器结构静力试验的基本原理与方法；
b）掌握应变、位移的测量方法，掌握加载的方法；
c）掌握结构有限元静力分析与静力试验验证的方法；
d）熟悉飞机结构强度规中对静力试验的要求；
e）制定静力试验大纲。
4实验对象和测试项目
4.1实验对象
实验对象为飞机机翼，所用机翼半展长为1500mm，共十根翼肋，每根翼肋间距为150mm，如图1所示。
根部固支端（从固定销末端算起）距第一根翼肋150mm。
箭头位置为应变片测量点。
机翼设计载荷状态：
全机重量为14kg，以90km/h速度平飞时，过载系数2.5。
机翼翼形NACA4412。
图1机翼示意图
翼粱的材料为铝，弹性模量按铝合金的E=69.6GPa，其截面形状如图2所示。
图2翼粱截面形状
本次静力实验机翼肋弦长350mm，梁在弦向40%处即距翼肋前缘140mm处。
加载点为翼梁前42mm，即距翼肋前缘98mm。
4.2测试项目
根据4.1中的实验对象描述，对飞机机翼建立气动模型以及结构有限元模型，并计算气动力。
将计算所得到气动力加载到机翼的结构模型上，进行静力分析。
重点关注试验中两个测量点位置应力应变的分析结果，并做记录。
5实验设备
微小型飞行器结构静力试验平台如图3所示：
该测试系统主要由1）支持系统、2）加载系统、3）应变测试仪、4）位移测试仪和5）待测对象几部分组成。
支持系统用于安装待测对象，包括承力顶棚、承力地坪、承力墙三部分，根据不同的支持方式可选择其中的部分或全部用于支持待测对象。
加载系统采用螺旋加载方式，加载机构通过钢丝绳和试验对象相连接，也可以采用重物加载的方式。
应变测试仪采用DH3815N-2静态应变测试系统，提供1/4桥、半桥、全桥几种测试方法。
位移测试系统采用LXW精密拉线位移测试系统。
图3微小型飞行器结构静力试验平台
6实验方案设计
6.1气动载荷计算
在气动分析前，首先要计算飞机达到2.5g过载时机翼所需的升力系数，此时飞机所受升力为重力的2.5倍。
升力系数根据如下公式：
其中：
在标准大气压下，
，此时
，
，
，
，
。
得到升力系数为
得到机翼的升力系数后，我们查阅资料找到了NACA4412机翼翼型的升力系数，根据整机升力系数寻找翼型升力系数对应的迎角进行计算尝试。
6.2气动计算过程
1.利用翼型软件导出翼型数据点
利用NACAAerofoilSections软件得到NACA4412翼型如图3所示，翼型数据点如表1所示。
图4NACA4412翼型
表1NACA4412数据点
1
1.000167
0.001249
21
0.009556
-0.012567
2
0.99347
0.003098
22
0.032063
-0.021427
3
0.97354
0.008489
23
0.066702
-0.026758
4
0.940858
0.016977
24
0.112383
-0.028903
5
0.896225
0.027883
25
0.167821
-0.028395
6
0.840761
0.04037
26
0.231595
-0.025961
7
0.775883
0.053525
27
0.302175
-0.022484
8
0.703286
0.066419
28
0.377926
-0.018922
9
0.624904
0.078157
29
0.457988
-0.01573
10
0.542864
0.087913
30
0.539716
-0.012349
11
0.459432
0.094964
31
0.620581
-0.009182
12
0.376589
0.098663
32
0.698409
-0.006532
13
0.29613
0.097398
33
0.771065
-0.004521
14
0.221457
0.090914
34
0.836521
-0.003127
15
0.154897
0.07992
35
0.892915
-0.002238
16
0.098476
0.065517
36
0.938616
-0.001714
17
0.053825
0.049047
37
0.972277
-0.001428
18
0.02212
0.031897
38
0.992891
-0.00129
19
0.004083
0.015271
39
0.999833
-0.001249
20
0
0
2.CATIA软件建立三维机翼模型
使用CATIA安装目录下的command->GSD_PointSplineLoftFromExcel将翼型数据点导入CATIA中，建立机翼的三维模型如图5。
图5机翼三维模型
3.ICEM绘制网格
全流场网格如图6所示。
图6全流场网格
机翼边界层网格如图7所示。
图7机翼边界层网格
机翼表面网格如图8所示。
图8机翼表面网格
网格总量约1,900,000。
4.Fluent软件计算
估计升力系数为0.8539时，迎角大约7°，因此计算6°、7°、8°时的升力系数，如表2所示，因为此时机翼未失速，升力系数曲线保持线性（如图9），根据已经计算出的升力系数差值得到目标升力系数对应迎角大约6.73°，再计算该迎角对应的升力系数及升力分布，得到的结果和目标过载非常接近。
表2不同迎角的升力系数、过载等参数
角度/deg
升力系数
阻力系数
升力/N
阻力/N
y向过载
6
0.8015
0.0654
161.0887
13.1519
2.3466
6.73
0.8536
0.0718
171.5476
14.4201
2.4990
7
0.8724
0.0742
175.3219
14.9159
2.5540
8
0.9396
0.0840
188.8336
16.8776
2.7508
图9机翼未失速时的升力系数
6.73°迎角对应上表面压力云图（低压区）如图10所示。
图10
6.73°迎角对应下表面压力云图（高压区）如图11所示。
图11
6.73°迎角对应机翼对称面处近壁区压力云图如图12所示。
图12
最终得到展向升力分布图如图13所示。
（1）
（2）
图13
注：
图1的纵坐标为单位展长的升力，单位（N/m），图2的纵坐标为单位展长的升力系数（参考面积0.35m×1m）。
其中沿展向分布的升力数据如表3所示。
表3
展向相对位置
0.0033
0.1033
0.2033
0.3033
0.4033
0.5033
0.6033
单位展长升力/N
127.1403
.8767
.2319
125.1202
123.4138
120.9193
117.2273
展向相对位置
0.7033
0.8033
0.9033
0.9700
0.9900
0.9970
1.0000
单位展长升力/N
111.5480
102.2807
85.7034
65.2703
43.0000
21.2768
0.0000
6.2加载方案计算
将fluent计算的分布载荷积分得到每一翼肋间距段的集中载荷为：
编号
1
2
3
4
5
集中载荷/N
19.051275
18.983145
18.8514075
18.64005
18.3249825
编号
6
7
8
9
10
集中载荷/N
17.860995
17.1581475
16.0371525
14.0988075
8.81714685
其中的编号对应图13中的位置。
图13
由于试验中只能在翼肋位置加载，因此再利用力和力矩等效的方法将每一段机翼的合力等效加载到该段机翼两端的翼梁上，具体方法描述如下：
X2
X1
F
F1
F2
如上图所示为一段机翼的前视图。
该段机翼升力的合力为F，若将它等价为两端翼肋上的力F1，F2需要经过如下公式计算：
力的平衡：
F=F1+F2
力矩平衡：
F1*（X1+X2）=F*X2
经过上述计算即可把每一段机翼上的升力合力分配到翼肋上，方便试验加载。
通过计算分配所得的加载方案如下图、表所示。
以翼根部前缘为坐标原点。
序号
x坐标（mm）
y坐标（mm）
载荷大小（N）
1
0
42
9.5256375
2
150
42
19.01721
3
300
42
18.91727625
4
450
42
18.72595375
5
600
42
18.48251625
6
750
42
18.09298875
7
900
42
17.50957125
8
1050
42
16.59765
9
1200
42
15.06798
10
1350
42
11.45797718
11
1500
42
4.408573425
7实验步骤
1）将待测试验件稳固地安装在承力墙上。
2）连接好应变片与应变测试仪的连线。
3）安装好位移传感器，并与测试点进行连接。
4）选择合适的加载方式，如选用重物加载则需要准备好不同质量的加载重物，如选用螺旋加载则需要布置好分力杠杆及连线。
5）连接好测试总线与计算机之间的接头，启动测试软件并进行有关参数的设置。
6）先进行预加载，用20-30%的使用载荷加载，以消除间隙和检验各部分是否正常。
7）再进行正式加载试验。
先取预计最高载荷的5-10%为初始载荷，测量初始应变和位移，然后按确定的程序逐级、均匀、缓慢地加载，并逐次测量和记录各个应变测量点、位移测量点和载荷测量点的数据，同时仔细观察试验件。
重复进行3次正式加载试验。
8）更换新的待测试验件，重复1-7项容。
9）将测试结果与结构有限元分析结果进行对比分析。
8实验注意事项
1）确保各部位连接安全可靠，尤其注意机翼根部和承力墙之间的连接。
2）试验前制定详细而周密的试验大纲，并组织评审。
试验时严格按照试验大纲进行试验。
3）加载钢丝上悬挂醒目标志物，以防止人员绊倒和损坏试验件。
4）出现异常和紧急情况，应冷静对待，立刻报告试验指导教师。
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