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飞行汽车的气动外形设计毕业论文

 2020-02-17 11:02  

摘 要

如今,在城市中普遍存在交通拥堵的情况,如何更加便捷地出行是一个急待解决的问题。飞行汽车有陆地模式和空中模式,当地面车辆拥堵时可以转换成飞行模式,当飞行条件不具备时又可以像汽车一样在路面行驶,因此飞行汽车有望缓解交通拥堵的难题。

飞行汽车的种类有固定翼式、旋翼式、动力伞式、直升机式、涵道螺旋桨式等等。每一种类型的飞行汽车都有各自的优缺点和适应的使用情况。比如,固定翼式飞行汽车无法垂直起降,需要具备较长的滑行跑道来完成起飞,在城市这种空间不足的地方很难为其提供跑道。涵道风扇式飞行汽车存在气动效率低,浪费能源的问题,并且续航时间短。直升机式则存在噪声过大的问题,不宜在人口密集的城市中使用。因此,选择合适的飞行汽车型式非常重要。

传统飞行器一般采用改变机翼外形的方式,如变翼型弯度、变展长、变前缘缝翼、变后缘襟翼、变后掠角等等,来适应各种各样的飞行条件。对于飞行汽车的机翼形式研究提出了各种方案,比如可伸缩固定翼、可拆卸固定翼、可伸缩旋翼、涵道螺旋桨等等,旨在解决飞行汽车的空间问题以及垂直起降的问题。

本文采用向后收拢的机翼,机翼在不需要时可以收入车身内部,可以非常方便地进行路面模式和空中模式的转换,也可以使得飞行汽车在地面行驶时能更接近普通汽车的大小。

本文对飞行汽车机翼和车身的气动外形进行研究,主要的研究内容是使用profili进行翼型的设计,接着使用catia进行机翼和车身的建模,使用gambit划分气动网格,使用fluent进行气动特性分析,根据得到的计算结果来评价原始设计并且进行改进。

结合飞行汽车的的使用需要,本文采用NACA4412标准翼型,采用机翼后收入车身内部的设计,上单翼式布局,车身采用流线形。计算结果表明,本文所设计的飞行汽车的气动外形具有良好的气动特性,具备一定的可行性。

关键词:飞行汽车;机翼后收;气动外形设计;FLUENT气动计算

The pneumatic design of flying cars

Abstract

Nowadays,there are often traffic jams in cities.How to travel more conveniently is a problem to solve.There is road pattern and flying pattern in flying cars.When the traffic is heavy,the flying car can switch to the flying pattern.When it’s not good for flying,it can run on road like a car.So,the flying cars are hoped to decrease traffic jams.

There are many types of flying cars,such as fixed wing flying cars,rotor wing flying cars,sky cars,helicopters,flying cars with propellers in culverts,etc.Each type of flying cars have its strengthens and weaknesses and different types suit different using conditions.For example,fixed wing flying cars can’t take off or load vertically,and they need a long runway to take off.It’s hard to provide a runway for them in cities where the room is not enough.Flying cars with propellers in culverts have the problem that they have low pneumatic efficiency and it causes the waste of energy.And they can’t fly for a long time.The helicopters cause too much noise,and they can’t be used in citeis where there are many people.So,it’s very important to choose the right type of flying cars.

Traditional planes usually change the shape of their wings,such as changing the bending of the wings,changing the length of the wings,changing the front edge seam wings,changing the back edge wings, changing the sweep angle,etc,to fit in different flying conditions.Researches put forward many forms of wings,such as elastic fixed wings,plug-in fixed wings,elastic rotor wings,propellers in culverts,etc,to solve the problem that the flying cars can’t take off or load vertically and there is not much room for flying cars.

The article use the wings that can be furled backward.The wings can be furled into the car body when they are not needed.It’s very convenient to achieve the switch between the load pattern and the flying pattern.And the flying cars are more familiar to normal cars in size when they run on road.

The article discusses the pneumatic shape of wings and the car body.The main research is to use profili to design the wings,to use catia to build models for the wings and the car body,to use fluent to discuss the pneumatic characteristics.At last,evaluate the original design with the calculating results and improve it.

Considering the requirements of the flying cars,the article uses the standard wings.The article adopts the design that the wings can be furled into the car body,the layout of upper single wings.The car body adopts the shape of aerodynamics.As the calculating results suggest,the flying car that is designed in this article has good pneumatic characteristics,and it’s practicable.

Keywords:flying cars;wings that can be furled backward;the design of

pneumatic shape;pneumatic calculating using fluent

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究目的及意义 1

1.3 飞行汽车发展历史 1

1.4 飞行汽车的国内外研究现状 5

1.4.1 飞行汽车的国外研究现状 5

1.4.2 飞行汽车的国内研究现状 8

1.5 国内外研究现状分析 10

1.6 本文设计目标 14

1.7 本文主要研究内容 10

1.8 本章小结 11

第2章 飞行汽车气动外形的概念设计 11

2.1 引言 11

2.2 翼型的选择与设计 12

2.3 机翼平面形状的设计 15

2.3.1机翼平面形状的几何参数 15

2.4 增升装置的设计 17

2.5 副翼的设计 18

2.6 机翼梁的位置 18

2.7 机翼纵向位置 18

2.8 尾翼 19

2.9 汽车外形简述 19

2.10 车身的设计 20

2.11 本章小结 20

第3章 气动外形的建模 21

3.1 引言 21

3.2 Catia软件简介 21

3.3 机翼的建模 22

3.4 车身的建模 23

3.5 车身与机翼的装配 24

3.6 本章小结 25

第4章 飞行汽车的气动特性分析 26

4.1 引言 26

4.2 Fluent/Gambit软件的介绍 26

4.2.1 Fluent的介绍 26

4.2.2 Gambit的介绍 28

4.3 计算流体力学概述 28

4.4 模型气动网格的划分 31

4.5 飞行汽车模型气动参数计算及分析 33

4.5.1 飞行速度30m/s时气动参数计算 33

4.5.2 攻角为5°飞行状态下气动参数计算 35

4.6 本章小结 37

第5章 总结与展望 38

5.1 总结 38

5.2 飞行汽车研究展望 38

参考文献 40

致谢 42

绪论

1.1 引言

改革开放以来,中国的经济高速发展,消费水平提高,工业化程度与日俱增,汽车行业的发展势头非常迅猛,汽车已经进入了越来越多的家庭,给人们的出行提供了极大的便利。与此同时,交通拥堵问题也日益严重。在许多大城市,交通峰段拥堵一小时已成为家常便饭,甚至小城市也开始频繁出现交通拥堵问题。这在一个侧面反映了中国社会的高速发展,但交通拥堵问题的确不容忽视。飞行汽车的提出为解决交通拥堵的问题提供了一个创新性的思路。飞行汽车指的是一种可以行驶于地面也可以飞行于空中的交通工具。随着科学技术的发展,材料、装备、技术、工艺等领域都有突破式的进展,这为飞行汽车的研究提供了很好的条件。有关飞行汽车的专利越来越多,随着飞行汽车研究的不断深入,人们已经提出了各式各样的飞行汽车方案。相信在未来,飞行汽车一定可以走进我们的日常生活。

1.2 研究目的及意义

中国的汽车行业正在高速发展,汽车保有量持续高速增长,与此同时,交通拥堵问题日趋严重,对飞行汽车的研究吸引了人们的目光。飞行汽车兼备路面行驶和空中飞行的特性,对交通拥堵问题的解决有很大的帮助。飞行汽车具有很多用途。飞行汽车可警用,由于它不受地形限制,机动性很高,可以用于打击犯罪。飞行汽车可用于抢险救灾,它可以自由转向,在狭小地形自如穿梭,自由度很高,而不像传统汽车容易受到复杂地形的限制。飞行汽车可军用,它体型小、灵活性高的优势使得它在战争有能够有出色的发挥。飞行汽车还可进行边境巡逻、急件投递。

与汽车相比,飞行汽车可以脱离地面飞行,不会受到地形的限制和交通拥堵的困扰。与飞机相比,飞行汽车在天气恶劣,不具备飞行条件时又可以切换为汽车模式。飞行汽车既拥有汽车的优秀的运输能力,又拥有飞机的良好的跨越障碍的能力,且运输成本低。飞行汽车具有这么多传统汽车和飞机不具备的优势,并且在各个方面都有许多实用的用途,因此,研究飞行汽车具有很大的意义。

本次设计的目的是对飞行汽车进行气动外形概念设计,具体包括机翼和车身的气动外形设计,要满足其起飞降落、路面行驶以及低空飞行的需要,基于CFD方法计算车身的气动参数,根据计算结果改进原始的设计。

1.3 飞行汽车发展历史

飞行汽车的设计与研究始于19世纪,这个时期诞生了许多创新的有关飞行汽车的发明,国内对飞行汽车的研究起步较晚,但也取得了许多优秀的成果。

在飞行汽车的早期研究中,有几种飞行汽车比较具有代表性。在1917年,飞行汽车之父格·寇蒂斯展出了世界上第一辆飞行汽车。Autoplane,装有三只机翼的铝制飞行汽车,机翼的翼展长达12.2米。车尾布置四叶片螺旋桨推进器,使用汽车发动机驱动。虽然它没有实现飞行的愿望,只实现了一些空中跳跃,但它标志着人类对飞行汽车探索的重要一步。Autoplane的外形如图1.1所示。

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图1.1 飞行汽车Autoplane

在1937年,沃尔多·沃特曼推出了一款飞行汽车Aerobile,它是斯图勒贝克汽车与飞行装置的结合物。它是前三点起落架的三轮飞行汽车,翼展达到11米,长度达到6.25米,飞行速度达到180公里每小时,地面行驶速度达到90公里每小时。它由100马力的斯图勒贝克发动机驱动,尾部的螺旋推进器来进行推进。飞行模式转换成路面模式时要手动收起机翼,把机翼和车身分离,放置在别处。这种飞行汽车只生产了6架,它具有重量轻、飞行轻便、价格不高的优点,于1934年获得了当时航空署认可的奖项。Aerobile的外形如图1.2所示。

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图1.2 飞行汽车Aerobile

在1946年,罗伯特·富尔顿推出了飞行汽车Airphibian,他是蒸汽机发明人瓦特的远亲。以往人们的设计思路是把汽车改造为飞行器,而罗伯特·富尔顿的设计思路是把飞机改造成汽车。Airphibian的机翼与车尾的部件可以拆卸,螺旋桨可以收入车身内,从飞机到汽车的转换仅仅需要五分钟。这种飞行汽车由150马力的6缸发动机驱动,飞行速度约193.1公里每小时,车速约为80.5公里每小时。美国民用航空局认定它为第一辆飞行汽车。Airphibian的外形如图1.3所示。

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图1.3 飞行汽车Airphibian

在20世纪40年代,由联合伏尔梯公司推出一种新飞行汽车ConvAirCar。由图中可以看出,它实际是飞行装置与双门轿车的结合体,飞行装置可与轿车分离。1947年ConAirCar首次被推出,飞行一小时,使用3.8升汽油行驶了72公里。它在第三次飞行时坠毁,因而告以失败。ConAirCar的外形如图1.4所示。

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图1.4 飞行汽车ConAirCar

莫尔·泰勒推出的飞行汽车Aerocar,受罗伯特·富尔顿设计思想的启发。它可以在陆空之间流畅地进行切换。飞行汽车的车身使用玻璃钢材料,发动机和螺旋推进器之间由约3米的传动轴连接。它的飞行速度为193公里,它是第二辆美国联邦航空局认定的飞行汽车。1970年,福特公司曾考虑生产这个系列的飞行汽车,但随后十年的石油危机摧毁了这个计划。Aerocar的外形如图1.5所示。

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