[科普中国]-半翼展模型

背景

由于风洞的限制或测试的要求 ，常采用半翼展模型试验技术。半翼展模型带来大量的问题 ，如机翼对称面处 的反射板设置可能改变三角翼绕流场 ，模型与反射板之间的缝隙要引起窜流，半模实验假设左右对称但实际翼面上流动是不对称的等等 。以往对半模试验技术的研究已发现气动力和力矩系数比，对应的全模值小，建议采用修 正系数为1.2左右 ，并对半模试验装置进行改进。但是一直缺乏对半模影响进行系统研究，忽略了对流场结构、脱体涡破裂与半模气动力特性之间的相 关性研究。

《半模试验方法存在的问题》介绍美国圣母大学利用相同形状的70度后掠角、平板、尖前缘三角翼的半翼展与全翼展模型，在相同雷诺数下进行的风洞测力对比试验，并用烟流及 荧光微 丝流态观察结果进行相关性分析。1

翼展翼展（wing span）指固定翼飞行器的机翼左右翼尖之间的距离，是衡量机翼气动外形的主要几何参数之一。

当飞机在空中飞行时，作用在飞机上的升力主要由机翼产生；同时机翼上也会产生阻力。机翼上的空气动力的大小和方向很大程度上取决于机翼的外形，即机翼翼型、机翼平面几何形状等等，而翼展就是描述机翼平面几何形状的重要参数之一。

相关研究简介周宏霞为研究飞翼布局飞行器结构特性，分别建立了半翼展和全翼展的静、动力学模型，以及相关试验。分析结果表明，结构弯曲与扭转变形主要发生在外翼面，内翼扭转为正，外翼扭转为负;梁轴力沿展向的分布表现为从内到外逐渐增加，在内外翼分离面达到最大，随后逐步减小的特点，并且轴力传递到内翼后，有较为明显的向后梁集中的趋势。结构弯曲刚度和扭转刚度不仅满足静力要求，同时也满足颤振要求，不会发生关于结构主要模态的颤振问题。

针对比翼布局飞行器初始结构布局及材料。机身布置有4个肋，8个框，1个前起侧撑梁;框肋均为金属结构，前起侧撑梁为金属结构，蒙皮主要为复合材料层合板结构，后段蒙皮为金属结构。翼面结构中内翼布置有4根梁、6个肋，外翼布置有3根梁，16个肋;翼面前中后梁、蒙皮为复合材料层合板结构，翼肋与内翼主起辅助梁为金属结构。在结构建模中，分别建立了半翼展模型和全翼展模型，如图所示。

特点半翼展模型:蒙皮、腹板采用复合材料板壳元;梁缘条、肋缘条采用当量杆元。有限元模型共有500 个节点，1643 个单元。其中，CQUAD4 元765 个，CROD元 878 个。

全翼展模型:机身框肋腹板采用金属膜元模拟，机身框肋腹板加筋条采用金属杆元模拟，框肋的缘条也用金属杆元来模拟，前起侧撑梁采用金属梁元模拟，机翼与机身水平接头耳片，前梁、中梁、后梁的接头耳片及主起落架辅助梁的接头也采用金属梁元模拟，机身复合材料蒙皮采用层合板单元模拟(单元主方向角为沿航向)，机身金属蒙皮采用金属膜元模拟;翼面前、中、后梁缘条、腹板分别采用金属杆元、复合材料层合板单元模拟，内翼主起落架辅助梁缘条、腹板分别采用金属杆元、金属膜元模拟，翼面翼身、内外翼接头耳片模拟为梁元，翼面蒙皮、长桁分别采用复合材料层合板单元、金属杆元模拟。2

贝尔公司的“半翼展”模型贝尔直升机公司在NASA兰利研究中心的跨音速动力学风洞中完成了贝尔波音公司倾转旋翼飞机1 /5缩比模型的风洞试验。该四倾转旋翼飞机是一个四引擎、与C-130大小差不多的飞机，可像直升机一样起飞、悬停和着陆，并拥有固定翼涡轮螺旋桨飞机的飞行速度和航程。该试验模型采用前置动力和后向旋翼、悬臂、短舱以及动态调节机翼，代表了飞行验证机的构型。这个“半翼展”模型的机身长5.14 m,旋翼长2.31 m。该模型设计用于重现全尺寸飞机的空气动力学和结构响应。

贝尔公司、NASA与美国陆军研究实验室联合进行的这些试验，目的是研究前机翼与旋翼对后机翼和旋翼的干扰影响，并证实在翼展方向后机翼的气弹稳定性比V一22倾转旋翼飞机机翼要高63%。这些试验由贝尔公司出资，这项工作与贝尔/波音公司根据美国陆军牵头的联合重型运输机方案设计与分析计划的其它工作齐头并进。3