【机情无限 精彩毕设】机械2026届毕业设计（论文）中期检查优秀案例分享第二十一期——变体伸缩机翼结构设计及振动特性研究
学生姓名：段云鹏
班 级：机械（茅班）2022-01班
指导教师：孟祥印
毕设题目：变体伸缩机翼结构设计及振动特性研究
一、概况
1.选题意义
本毕业设计课题为变体伸缩机翼结构设计及振动特性研究，针对传统固定翼飞行器气动构型固定、无法适配多飞行工况的行业痛点，其在不同飞行阶段难以同时兼顾高升力、低阻力与结构稳定性，以伸缩式变体机翼为核心研究对象，围绕 “结构轻量化、高承载刚度、优异振动稳定性、可靠伸缩性能” 的多目标优化需求，开展从理论分析、结构设计、仿真优化到实物试验验证的全流程系统性研究，旨在形成一套可工程化应用的翼展自适应调节设计方案。
2.任务分解
（1）查阅相关文献、书籍，筛选具有高参考价值的核心文献，整合梳理结果，形成文献综述框架，明确本研究的切入点与创新方向。
（2）梳理变体伸缩机翼设计需求，学习翼型选型、翼展参数设计、驱动机构设计等核心设计方法，掌握三维数字化模型搭建流程。
（3）基于ANSYS有限元平台，进行静力学强度与刚度分析。
（4）通过有限元分析结果对结构进行改进优化，完成模型最终设计。
（5）建立动力学模型，开展动力学仿真。
（6）搭建实物，完成振动特性研究，并与动力学仿真结果进行比对，评估抗振特性。
（7）撰写毕业论文以及设计说明书。
二、已完成工作
1．已完成变体伸缩机翼方案设计：明确了低速飞行器的应用场景与结构性能需求，并且以嵌套式伸缩构型为核心方案，确定了翼型选型、结构尺寸、伸缩机构等关键设计参数。除此之外，还完成了机翼三维模型的初步建模以及装配，为后续静力学、动力学仿真分析奠定了模型基础。
本设计采用NACA 2415翼型，其低速气动特性良好，厚度为弦长15%，结构强度、低速升阻比均衡。绘制前缘、后缘、前梁、后梁的连接点完成基础翼面设计，并完成翼肋镂空设计。根据计算的展弦比，确定收纳翼、固定翼的长度，完成收纳翼、固定翼设计装配,并完成整体装配。完成翼型草图绘制后，绘制前缘、后缘、前梁、后梁的连接点完成基础翼面设计，并完成翼肋镂空设计。根据计算的展弦比，确定收纳翼、固定翼的长度，完成收纳翼、固定翼设计装配。
图1 收纳翼装配体
图2 固定翼装配体
完成伸缩机构设计，采用电动推杆为核心驱动部件，替代传统驱动方式，可根据机翼实际需求匹配参数，实现机翼伸缩的自动化精准控制，保障伸缩过程平稳可靠，适配空中工作场景。完成导轨以及连接件等其他结构设计，完成整体伸缩机翼装配，并添加蒙皮。
图3 总体伸缩机翼装配体
图4 机翼带蒙皮装配体
2．有限元仿真设计：以三维模型为基础、结构强度要求为约束、轻量化设计为优化方向，通过静力学仿真求解结构的力学响应，最终完成了部分工况下的静力学分析，得到了机翼的应力云图、变形云图等关键仿真结果。
（1）网格划分：对机翼的材料属性、网格划分、边界条件等参数进行了标准化设置，再将气动载荷、结构自重、伸缩机构作用力等载荷条件纳入分析模型。
图5 整体机翼网格划分
（2）静力学仿真
图6 收纳翼静力学分析
图7 固定翼静力学分析
（3）模态分析（以收纳翼作为示例）
图8-1 收纳翼一阶模态 图8-2 收纳翼二阶模态
图8-3 收纳翼三阶模态 图8-4 收纳翼四阶模态
图8-5 收纳翼五阶模态 图8-6 收纳翼六阶模态
明确机翼结构的静力学分析目标，其不同于常规固定翼的强度校核。首先对于收纳翼和固定翼两个主要部件进行分析，能够求解出机翼的各阶固有频率与对应振型，一方面可识别弯曲、扭转变形较大的薄弱区域以优化结构，另一方面能为后续关键分析提供基础数据。
(4)总体翼全展开振动分析
通过对总体翼的动力学分析，进一步对机翼设计进行优化改进，分析其在运动下，直观判断机翼刚度强弱，避免刚度不足导致变形过大、操纵效率下降。
图9 总体翼动力学分析
三、下一步工作计划
1．仿真优化阶段收尾
针对机翼完全收缩、完全伸出、半伸出三种典型工况，完成剩余工况的静力学强度与刚度仿真分析，补充应力分布、变形量、安全系数等完整数据，形成全工况仿真分析报告。结合导轨、连接部件的设计改进方案，在仿真模型中更新结构参数，验证改进方案的合理性，确保优化后结构满足轻量化、高刚度、低振动的设计要求。
2．结构设计迭代与完善
整体结构校核与修正，根据仿真分析结果，对机翼翼肋、梁体等薄弱部位进行结构优化，在保证轻量化的前提下提升结构刚度，完成三维数字化模型定稿。
3．电控系统开发与调试
进行硬件选型与电路设计，根据电动推杆的驱动需求，完成控制器、电机、传感器等硬件选型，设计并绘制电控系统电路图。编写机翼伸缩运动的控制程序，实现电动推杆的精准启停、行程控制，添加故障保护逻辑。
4．实物搭建与振动试验验证
开展机翼不同伸缩工况下的振动试验，采集振动频率、振幅、应力变化等关键数据，完成试验数据的预处理与整理。将试验实测数据与动力学仿真模型分析结果进行对比，验证模型的准确性，针对模型与实物的偏差进行修正，完成动力学模型的优化，评估实物抗振性能，形成试验验证报告。
问题一：你所设计的变体伸缩机翼，在工程与实际应用中具备哪些应用前景与推广价值？
回答：我设计的这款可以自由伸缩的变体机翼，主要用在小型无人机、轻型飞机、航拍测绘等日常能见到的低空飞行器上，有着很实用的应用前景。它能根据飞行需要自动改变机翼长度，起飞和低速飞行时机翼展开，提升升力、让起飞更平稳、滑跑距离更短。高速飞行或需要灵活穿梭时，机翼收缩减小阻力，飞得更快、更省电、续航也更久。而且机翼收缩后体积更小，方便存放、携带、车载或舰载运输，解决了传统飞机机翼不能变、只能满足一种飞行需求的问题。这套结构简单可靠、制作成本不高、控制也方便，未来还能进一步用到轻型运动飞机、小型通航飞机上，提升飞机的整体性能和实用性，适用范围广、推广价值很高。
问题二：结合你目前的设计与研究进展，后续将从哪些方面对该变体伸缩机翼进行进一步优化与完善？
回答：后续我会重点优化机翼连接结构与导轨设计，提升强度和伸缩稳定性，同时加快电控系统开发与机电联调，再结合仿真与试验数据对结构薄弱部位进行改进，最终提升机翼的整体性能与可靠性。
通过这段时间对变体伸缩机翼结构设计及振动特性研究课题的推进，我不仅完成了从方案设计、三维建模到有限元仿真的核心工作，更在实践中收获了很多专业能力与科研思维上的成长。
在研究过程中，我系统梳理了变体机翼领域的相关知识，从文献调研、方案比选，到一步步完成翼型设计、伸缩机构与导轨结构设计，再到利用 ANSYS 开展静力学、模态及振动特性分析，每一步都让我把课堂上学到的机械设计、有限元分析、材料力学等理论知识真正用在了实际工程问题上。面对模型尺寸偏小、连接强度不足、导轨需要优化、电控进度滞后等实际困难时，我学会了冷静分析问题、主动查找资料、不断优化结构与方案，在反复修改和验证中提升了独立解决问题的能力，也深刻体会到机械设计 “严谨、细致、不断迭代” 的重要性。
同时，在搭建三维模型、开展仿真分析、规划试验方案的过程中，我锻炼了软件操作、逻辑梳理和总结表达的能力，也明白了科研工作需要耐心与坚持，一个小细节的疏忽都可能影响整体结果。在与指导老师的沟通交流中，我进一步明确了研究方向，学会了更规范地开展设计与分析工作。
中期阶段的工作让我清楚认识到自己的优势与不足，也为后续完成试验验证、论文撰写奠定了坚实基础。在接下来的毕业设计工作中，我会继续保持认真严谨的态度，抓紧时间完善结构优化、推进电控调试与振动试验，按时高质量完成全部任务，把这段时间的收获转化为最终的毕业设计成果。