陳東風在和楊輝的討論修改中,也要兼顧下唐昌宏的結構設計,至於楊韋他現在的精力就不夠了。忙忙碌碌中,已經快半個月過去了,楊輝的發動機子系統在陳東風的協助下都已經定稿了,剩下的就是具體的元器件選擇,電路板的設計了,這些接下來都交給楊輝獨自處理。
陳東風接下來就要和唐昌宏一起把航模的外形結構設計方案拿出來,並爭取在八月底前完成。陳東風和唐昌宏來到空教室後,先問:“老唐,航模外形結構我們已經確定按照Mirage2000的模樣進行縮放,你覺得現在這次的重點和難點在哪裡?”
唐昌宏點點頭,絲毫沒有因爲他的年紀比陳東風大而有尷尬和不滿,他對陳東風能力的相當有信心,也很服氣陳東風現真正的進入小組長的角色。唐昌宏組織了一下思路慢條斯理的開始敘述。
由於航模外形結構由其的用途決定,現在的這款航模主要目的是飛行及特技表演。對航模的技術要求應該是安全性、可靠性、維修性、經濟性。
從設計角度來說航模外形結構設計要先從其結構承載佈局形式開始,接着是結構主要受力構件佈置設計,這之後是飛機結構的剛、強度計算分析,最後纔是飛機結構構件及其具體連接設計。由於航模的結構關鍵細節部位的安全壽命及損傷容限要求不是很高在設計中暫時不考慮。
唐昌宏在結構設計中使用的是結構有限元分析法。由於結構設計中應力和變形分析十分重要,它是分析和評估結構承載能力、使用壽命、可靠性和進行優化設計的基礎,又是修改設計和制定試驗方案的依據,特別對按疲勞、損傷容限設計的關鍵件,其應力和變形的分析精度要求更高,需要有合適的模型和計算方法才能滿足要求。目前主流的分析方法就是結構有限元分析法。
航模結構設計包含機翼結構、尾翼結構、機身結構、發動機艙結構、起落架結構等。目前唐昌宏需要陳東風幫忙的是機翼和尾翼的結構設計。機翼是航模上升力的來源,尾翼、尾翼副翼和機翼副翼都是保持航模飛行平衡和做出特技飛行的關鍵運動部件。所以其受力大且複雜,還要牽涉到副翼的協調控制問題。
這些完成之後,兩人一起完成航模結構的剛、強度計算分析。最後的連接設計唐昌宏可以一個人獨立完成。因爲航模結構的剛、強度計算分析,需要大量的數學模型建立以及計算分析,這是個工作量很大的活,而連接設計則是可以根據各個結構的設立分析,來設計出連接機構的強度和形狀。
陳東風聽完感嘆一句:“老唐,你早就給我在前面的路上給我挖好了坑啊,就等着我來跳。不過,外形結構設計我是外行,你得幫我一起做!”
“能力有多大,責任就有多大。這不說的就是你嘛?”唐昌宏笑說。
“一起合作,各司其職,我也只是過來輔助的,核心的任務還是要你們三人負責。”陳東風認真的說道。
“好啦,不要這麼嚴肅,我們雖然之前沒有時間計劃,但是大家心裡的時間節點都是暑假結束前啊,時間緊迫,一起加油幹吧!”唐昌宏一句話讓兩人重新投入到了緊張的設計工作中。
如果是真飛機,那其結構設計絕對不是唐昌宏和陳東風兩個人兩三個月可以設計玩的,飛機結構要考慮到結構的強度、剛度、疲勞、耐久性、損傷容限、維修性要求、適航性、工藝性、低成本設計、重量、防雷擊、抗腐蝕等等。不過現在的航模這些除了強度、重量和低成本其他統統不考慮。
結構有限元分析法了可以分析出結構的基本受力情況,考慮到飛機在起飛、降落以及特效飛行時候的飛行姿態會有大的載荷,因此在結構中需要考慮到這些情況。
唐昌宏,以航模重心(待定)爲座標原點(機身方向爲X,垂直方向爲Y,水平方向爲Z),建立座標系。根據重力,升力,阻力,推力,起落架載荷,慣性力也就是質量乘以加速度的負值,質量力,這些數值建立達朗倍爾動靜分析(也稱剛體動平衡)。達朗倍爾動靜分析方法爲航模的任意一點的X方向所有Fx之和爲0,Y方向所有Fy之和爲0,Z方向所有Mz(質量力)之和爲0.
根據動平衡的分析可以得知航模各個時候的載荷,取其最大值,結合飛機的結構,設計出比較準確的外形結構。
陳東風對機翼和尾翼的設計是在唐昌宏的幫助下,並結合自己查的資料進行的。
首先確定機翼、尾翼的功用。機翼首先是提供升力面即產生升力,其次是副翼、擾流片橫向操縱作用。尾翼的功用是航向的操縱性。
考慮到機翼的主要結構承受的力是升力,而升力是傳到機身上,由機身帶起全機。或說扣除機翼上自己那部分,其它部分給機身。所以如果把機翼拿出來進行受力分析,即研究對象就是機翼和機身之間的關係,機身作爲支持,而它們相互之間固定不動,故研究它們之間力的傳遞時,如果靜力平衡方法分析,可以得出結構的受力情況。兩側機翼副翼的上下翻折可以控制航模包括轉向、翻滾和擡頭等飛行姿態,由於機翼副翼的受力複雜,需要考慮和機翼的連接受力情況,需要進行連接部位的結構加強。
再考慮到航模的特性,選擇的是重量最輕,結構最簡單的縱向骨架形式的單樑機翼機構沿翼展方向安置的構件,包括樑、縱檣和桁條。
樑是最強有力的縱向構件,它承受着全部或大部分的彎矩和剪力;縱檣可以承受由彎矩和扭轉而產生的剪力;桁條可以承受局部空氣力載荷,並將翼肋互相連繫起來。
至於尾翼,它其實也是一個升力面,設計要求和構造與機翼類似,由於其主要的功用是航向的操縱性,所受的力大都來自於氣動力,所以對結構的強度要求沒有機翼那麼的高。尾翼的方向舵是其運動的核心部件,其結構也是採用最簡潔的縱向骨架形式的單樑機翼機構,當然在樑、縱檣和桁條的具體規格上和機翼是有所區別的。
機翼、副翼、尾翼的合理聯動是航模飛行穩定基礎,它們的合理聯動決定了不同的飛行姿態。因此陳東風把副翼和尾翼可動面的聯動關係列爲了重點,這是航模的運動基礎。