軟體飛機(jī)航模的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與開(kāi)發(fā)研究

1、軟體飛機(jī)航模的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與開(kāi)發(fā)研究第18卷第4期2005年7月機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與新Development&Innovationofmachinery&electric.alDroductsVOI.18.NO.4軟體飛機(jī)航模的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與開(kāi)發(fā)研究劉極峰,呂文華,嚴(yán)代智(南京工程學(xué)院,江蘇南京210013)摘要:提出軟體飛機(jī)航模設(shè)計(jì)的基本恩路,對(duì)充氣構(gòu)件的形成原理,材料選擇,氣囊形體設(shè)計(jì)和受力計(jì)算,軟體飛機(jī)機(jī)翼模型設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn),初步驗(yàn)證了作為"充氣構(gòu)件"的合理性與可行性.關(guān)鍵詞:軟體飛機(jī);氣囊;充氣構(gòu)件;機(jī)翼中圖分類號(hào):V27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)

2、:10026673(2005)04004030引言軟體飛機(jī)的研制是一項(xiàng)很大也是很難的課題.作者認(rèn)為應(yīng)從軟體飛機(jī)航模的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)做起.預(yù)期設(shè)計(jì)的軟體飛機(jī)是:類似于偏轉(zhuǎn)旋翼式垂直起落支線客機(jī)的一種無(wú)需固定跑道的飛機(jī).它主要由本身充入機(jī)體的氣體和飛機(jī)前端的發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力.根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路,新型的飛機(jī)模型一軟體飛機(jī)應(yīng)是由許多小氣囊構(gòu)成.軟體飛機(jī)的基礎(chǔ)是一種被稱為"充氣結(jié)構(gòu)"的新構(gòu)件.這種充氣結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)構(gòu)件是氣囊.研究氣囊的應(yīng)用,有兩點(diǎn)是具有決定意義的,其一是"充氣構(gòu)件"形狀的穩(wěn)定性,即它可以被制成任意需要的形狀,并且具有保持形狀的強(qiáng)大能力;其二是"充氣構(gòu)

3、件"的力學(xué)性質(zhì):即在"充氣構(gòu)件"的任何一根纖維上只有拉應(yīng)力的存在,沒(méi)有任何其它應(yīng)力,也就是說(shuō)"充氣構(gòu)件"是"純拉應(yīng)力構(gòu)件",任何施加在"充氣構(gòu)件"上的外力都將轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力.制造出一塊有一定厚度的平板狀"充氣構(gòu)件"的話,與其它外形相當(dāng)?shù)钠桨逑啾?"充氣構(gòu)件"能占據(jù)三點(diǎn)優(yōu)勢(shì):一是輕盈,二是抗拉強(qiáng)度大,三是抗彎剛度大.它將是制造軟體飛機(jī)的最優(yōu)選擇.1軟體飛機(jī)材料的選擇選擇基礎(chǔ)材料是設(shè)計(jì)軟體飛機(jī)航模成敗的關(guān)鍵.若使用柔而剛,輕而韌的新型材料當(dāng)然最好,這種材料上哪里去找呢?金

4、屬材料不行,木料不行,塑料也不行,這個(gè)問(wèn)題迄今沒(méi)有得到解決.經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和測(cè)試實(shí)驗(yàn).現(xiàn)初步選定一種高纖維壓膠紡織品面料,需要用高收稿日期:2005-01-17作者簡(jiǎn)介:劉極峰(1955-),男,教授.主要從事CAD/CAM教學(xué)與科研工作;發(fā)表論文40余篇;完成多項(xiàng)科研成果并獲獎(jiǎng);主,參編多部規(guī)劃及教材.4頻熱合機(jī)進(jìn)行熱合,組成排列有序的氣囊群,即所謂"充氣構(gòu)件".2充氣構(gòu)件的形成在"充氣構(gòu)件"中,壓縮氣體承擔(dān)了全部壓力而纖維承擔(dān)了全部的拉力,因此,"充氣構(gòu)件"也是一對(duì)矛盾的統(tǒng)一體.設(shè)一根管狀氣囊有無(wú)限長(zhǎng),這樣可以不考慮兩個(gè)端頭問(wèn)題,管

5、狀氣囊的半徑為R,如圖1所示.充滿氣體時(shí),其橫截面為圓形,用無(wú)限長(zhǎng)兩塊硬制平板插入圓筒內(nèi),與圓筒AB兩點(diǎn)及AB兩點(diǎn)相接觸,新組成的圖形如粗實(shí)線所示.AA和BB應(yīng)是圓弧,由此可得cos=a/D.將若干個(gè)圓管并列在一起,圓管中心距c<2R.若在每?jī)蓚€(gè)圓管的交點(diǎn)處連接一個(gè)韌帶AIB.,AB2,去掉圓管重復(fù)部分,I10圖1管狀氣囊示意圖Fig.1Gasbagsketchmapofthetube整個(gè)圖形由許多圓弧組成的封閉圖形.如果是等半徑圓管,則形成的圖形每一個(gè)段半徑均為R.把一個(gè)充氣構(gòu)件制成一個(gè)近似平板,這塊平板的厚度確定為2R,那么平板表面的不平度將由韌帶的密度和長(zhǎng)度來(lái)確定.韌帶越密

6、,相對(duì)越長(zhǎng),平板表面就越平.3氣囊受力的計(jì)算作為一種構(gòu)件,充氣構(gòu)件有其特殊性,除了柔軟性,輕便性之外就是其強(qiáng)度,剛度,形狀受力變形等力學(xué)性質(zhì).充氣構(gòu)件的形狀是人為設(shè)計(jì)的,若設(shè)計(jì)一種充氣構(gòu)件截面如圖2所示.把它視為具有一定厚度的平板,這塊平板的表面都?開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新?abPtna圖2充氣構(gòu)件受力分析圖Fig?2Inflatethecomponentandreceivetheanalysischartofstrength用高強(qiáng)度的纖維組成,其中間部分,仍用高強(qiáng)度的纖維與表面連起來(lái)將其劃分成若干格子,充人一定壓力的氣體后,這塊特殊的平板就形成了.研究這塊充氣板材的自身受力情況和形狀,并計(jì)算它在受外力時(shí)的

7、不平度.假定這塊板材寬度為1個(gè)長(zhǎng)度單位,則體積的計(jì)算可簡(jiǎn)化為一個(gè)平面問(wèn)題.設(shè)在橫截面上共有(n+2)個(gè)格子,其中每個(gè)空間格寬度為a,aan.我們稱格子隔墻面為韌帶,最外韌帶以外的兩個(gè)側(cè)空間格寬b,板材總厚度為D,充氣氣壓為P,其受力(充氣后自身受力,即無(wú)外力)如圖2所示.取左半部分析受力,從中間點(diǎn)畫線切開(kāi),可知,左半部分受氣體力為pD;受到右部拉力為2t,于是2t=pD(1)又取上半部分板受力,水平中心線以上部分受氣體壓力為p(na+2b);受下半部分拉力為(n+1)f+2t,于是:(na+2b)p=(n+1)f+2t(2)由于氣囊外表面各點(diǎn)受力相等,得t=t,再取A點(diǎn)分析受力,得:f=2tc

8、os3(3)據(jù)(1)(3)式,可計(jì)算出氣囊各處受力大小,其中充氣板材的不平度為:8=.由上述可知,這l1種板材的上下平面不是一個(gè)光滑平整的幾何平面,而是l一個(gè)個(gè)圓弧構(gòu)成的曲面.同理平板的兩側(cè)及四周也應(yīng)當(dāng)一是一個(gè)弧面,弧面之寬度b和高度h與內(nèi)壓有關(guān),內(nèi)壓l越大,則D越大,8越小,反之亦然.減少弧面不平度l的辦法,可增加其中的韌帶數(shù)量和相對(duì)長(zhǎng)度.根據(jù)實(shí)際l需要,人們可將充氣板材作成具有任意形狀和不平度的:物體.l充氣構(gòu)件在受到彎曲外力作用時(shí)如何變形呢?設(shè)l有一塊充氣板材,按懸臂梁彎曲變形來(lái)考慮,如圖3l所示.:1分析其抗彎曲能力:設(shè)板材為單位寬度,長(zhǎng)度,l厚度av,充氣氣壓為P,氣體及材料總重G忽

9、略不記,lA,B兩點(diǎn)受力如圖3所示,在離懸臂段最遠(yuǎn)處的板材:單元上懸掛一重物Q,此刻氣壓為p.計(jì)算它在AB面I處的抗彎曲能力.由平衡條件知:lF0【1:BGQFbT圖3充氣構(gòu)件懸臂梁分析圖Fig.3InflatetheanalysischartofcantileverbeltmofcomponentF=0F'r=0得:M廬0Fk=1=FQ;Q=lay<r+Fb)=1pay2即需要單位長(zhǎng)度充氣氣壓:P=2Q.在薄壁構(gòu)件中,常常因?yàn)楸”谌菀桩a(chǎn)生撓曲而遭破壞,為了避免撓曲,往往將薄壁加厚,使材料質(zhì)量大大增加.而充氣構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)恰恰在于只要能滿足拉應(yīng)力小于允許的值.就足以保證構(gòu)件的

10、安全.所以縱使上表面A處的應(yīng)力大了一倍,也只需將上表面的材料厚度增加一倍即可.由此可知,在充氣構(gòu)件中材料不存在彎曲應(yīng)力.這將保證了充氣構(gòu)件具有很高的機(jī)械強(qiáng)度,任何外力在充氣構(gòu)件上都將轉(zhuǎn)化為其中材料的拉應(yīng)力,纖維在抗拉時(shí)又具有較大的抗拉強(qiáng)度,使充氣構(gòu)件不易折彎.由于空氣的作用充氣構(gòu)件可達(dá)到很高的剛度,在相同的體積中,充氣構(gòu)件又是最輕巧的.4軟體飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的軟體飛機(jī)模型,除輪子和軸以外,均采用非金屬材料,機(jī)身用木制材料,機(jī)翼為"充氣構(gòu)件",其使用的基礎(chǔ)材料是紡織品面料和高分子薄膜.發(fā)動(dòng)機(jī)采用前置方式.考慮到軟體飛機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性及各種因素的不穩(wěn)定性,按照空氣動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)

11、行軟體機(jī)翼的設(shè)計(jì),并研究與飛機(jī)模型機(jī)身聯(lián)結(jié)為一體的工藝制作方法,進(jìn)行試飛實(shí)驗(yàn),測(cè)試其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo).在一架小型的航模練習(xí)機(jī)上進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn),其主要性能參數(shù)為:機(jī)翼長(zhǎng)1520mm,寬260mm,最高點(diǎn)厚度為44.7mm,重0.6kg,機(jī)身長(zhǎng)1200mm,重0.5kg,翼面積0.39m,飛機(jī)總重約1.7kg.4.1氣囊機(jī)翼設(shè)計(jì)如上所述,韌帶拉力f與表面拉力t之間有f=5?開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新?2tcosl3,考慮到充分發(fā)揮材料性能,故而取f_t,代人兩I者關(guān)系式得:13=60.根據(jù)cosl3=a/D(上述模型飛機(jī)參J數(shù)取D=44.7mm),得;a=Dcos=44.7cos60.=22.35mm取整得每個(gè)氣囊寬度

12、20mm,氣囊個(gè)數(shù)為:m=1500/20=75;氣囊機(jī)翼總長(zhǎng)7320+230=1520mm.I4.2氣壓計(jì)算將氣囊機(jī)翼的中間部分固定在機(jī)身上,根據(jù)公式有單位長(zhǎng)度充氣氣壓:p'=2Q.飛機(jī)總重G=I.7kgx9.8N/kg=16.66N,機(jī)翼總長(zhǎng)L=1.5m,寬度為0.26m,則一半機(jī)翼的承載力Q=8.33N,中間到翼端長(zhǎng)度ax=L/2=0.75m,厚度at=0.04m,寬度b=0.26m,則總的充氣氣壓:p=28.33x0.75/(0.04xO.26)=圖4氣囊機(jī)翼與機(jī)身裝配圖Fig.4Gasbagwingandfuselageinstallationdiagram0.3x1Pa4.3

13、軟體機(jī)翼與機(jī)身的裝配機(jī)身的寬度為85mm,裝配如下:用一高纖維材料包裹于機(jī)身上,其左右兩端分別與機(jī)翼下表面兩側(cè)相熱合,再用一塊相同材料與機(jī)翼上表面相熱合,其兩端與機(jī)身相粘聯(lián).如圖4所示.5實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)論用高纖維材料熱合成一個(gè)小氣囊,采用一種J一118b型的高頻熱合機(jī)熱合.熱合寬度為4mm,用縫紉機(jī)再將熱合寬度縫合成一個(gè)個(gè)長(zhǎng)方形,以加固氣囊強(qiáng)度.氣囊內(nèi)部氣壓設(shè)定為:0.3xlfPpa.5.1氣囊破壞性拉伸實(shí)驗(yàn)對(duì)熱合長(zhǎng)度和寬度相同而厚度不同的高纖維材料做拉伸實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表1.表1氣囊拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.1theairbagprolongexperimentaldata熱合長(zhǎng)度熱合寬度施加拉力持續(xù)

14、時(shí)間高纖維材料(N)(S)(mm)(mm)0.25mm2604280.84500.38mm2604291.26oo5.2氣囊剛度測(cè)試實(shí)驗(yàn)將氣囊一端固定在豎直墻上,最右端懸掛一重物,對(duì)物體受力彎曲變形量進(jìn)行測(cè)試.結(jié)果如表2所示.表2氣囊剛度測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.2theairbagrigiditymeasuredexperimentaldatas懸身長(zhǎng)度寬度厚度av重物彎曲變形量被測(cè)體(mm)(mm)(mm)(ks)(mm)0.501個(gè)氣囊3026O402.00.25.00.50.5010個(gè)氣囊210260402.00.75.0lJ50.50.235個(gè)氣囊71026o402.02.05.05.0

15、氣囊正常工作實(shí)際所承受的拉力為:t=pLD/2=0.3x105pax260mmx44.7mm/2=174.3N<280.8N.即表明氣囊機(jī)翼的強(qiáng)度.氣囊機(jī)翼模型飛機(jī)如圖5所示.123451.垂直尾翼;2.方向舵連桿;3.氣囊機(jī)翼;4.油箱;5.螺旋槳;6.發(fā)動(dòng)機(jī);7起落架;8發(fā)動(dòng)機(jī)舵機(jī)連桿;9.接收機(jī);10.電源11舵機(jī);12.機(jī)身;13.升降舵舵機(jī)連桿;14.水平尾翼;15.升降舵;16.方向舵圖5航模結(jié)構(gòu)示意圖rag.StructuresketchmapofmodelIn叩Iandmodelship6結(jié)束語(yǔ)氣囊航模融合了飛機(jī)和飛艇的特點(diǎn).它的升力一部分是由氣體提供.其余由發(fā)動(dòng)

16、機(jī)提供.經(jīng)初步試飛,在500m左右低空飛行,時(shí)速約30km/h,但方向舵和升降舵控制尚存在一些問(wèn)題有待改進(jìn),我們將繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)方面的實(shí)驗(yàn),以期達(dá)到更為理想的效果.參考文獻(xiàn):【1徐建安.私人輕型飛機(jī)飛行基礎(chǔ)【M.中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2004.【2張靄琨.航空模型原理與設(shè)計(jì)【M.北京航空航天出版社,1994.【3郭青山,汪元輝.人機(jī)工程設(shè)計(jì)【M.天津大學(xué)出版社,1994.【4】劉同仁,肖業(yè)倫.空氣動(dòng)力學(xué)與飛行力學(xué)【M】.北京航空學(xué)院出版社,1987.DevelopmentResearchAndTheBasicExperimentOfSoftwareAirplaneNavigationMouldLIUJI-Feng,LUWenHua,YANDa/一Zhi(NamingInstitudeOfTechnology,NaNingJiangsu210013,China)Abstract:Putforwardsoftwareairplanenavigationmoulddesignbasicwayofthinking,foraen