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纸飞机设计报告

作者：惟稻草人呀时间：2024-02-01 下载本文

基础工程训练报告

——纸飞机设计报告

专业班级：工业1901

小组成员姓名及学号：

张亚龙 3190804023 黄卓楠 3190804022

金福康 3190804021 吴嘉祥 3190804025

指导老师：陈骏

江苏大学管理学院工业工程系

第一章设计前言

1.1 设计简介

纸飞机是一种用纸做成的玩具飞机，它是航空类折纸手工中的最常见形式，属于折纸手工的一个分支。由于纸飞机是最容易掌握的一种折纸类型，所以深受初学者乃至高手的喜爱。根据不同的目标，人们设计了不同类型的纸飞机。例如，以最长滞空时间为目的的滞空机。当前，仅由一张纸折叠而成且不使用任何胶水和剪刀的纸飞机，当前最长滞空飞行时间为27.9秒。以最长飞行距离为目标的距离机，当前其世界纪录保持为69.14米。还有以外形逼真为目标的仿真机或仿生机，通过模仿真实飞机或模仿各种生物，实现稳定的滑翔性能。

纸飞机有多个参数性能可供调节，为了实现设定目标，设计出能够远距离飞行且飞行稳定的纸飞机，本课程设计通过调节影响纸飞机飞行的参数，选择纸飞机设定目标飞行的最优因子组合，进行纸飞机的设计。

1.2 设计目标

1.了解纸飞机的制作方法，了解纸飞机的一般制作流程；

2.了解机翼的形状对飞机飞行的意义，能够设计出多种控制样式的纸飞机；

3.了解技术设计具有一定要程序，技术设计需要运用科学概念、相互交流和执行程序；

4.了解纸飞机性能参数对纸飞机飞行的重要意义，通过对参数的调整，运用模拟软件进行纸飞机的模拟飞行，确定最大飞行点；

5.学习模拟软件的运用，了解模拟软件的工作过程。

1.3 设计要求

1.进行影响纸飞机飞行的参数的选取与设计，对影响纸飞机的参数因子进行探索；

2.使用paper pilot模拟软件进行纸飞机的模拟设计与飞行，实现稳定的最远飞行距离；

3.多次重复试飞确定纸飞机飞行的最远距离。

1.4 计划实施

1.查询相关资料，动手制作真实的纸飞机并进行飞行测试，学习和了解物理纸飞机的设计制作方法；

2.从多个维度研究影响纸飞机飞行距离的各种因子，比如折叠纸飞机的类型、空气动力学的影响等相关因子；

3.使用Paper Pilot模拟器，系统的分析各因子的影响、进行因子水平的优化设计，并验证最佳参数组合的有效性。

4.使用多种建模方法进行分析，进行循环迭代以达到不断改进的目的。

5.多次重复飞行测量飞行距离，评估波动是否能够达到最小，并完成报告。

第二章影响飞行因子的探索

2.1 设计阶段因子

1．飞机类型Plane Type：尖头三角翼型，方头矩形翼型，平头三角翼型，不同的飞机类型可能会对飞行距离产生影响；

2．纸张重量Paper Weight（简称Weight）：制作飞机的纸张重量可能会影响飞行距离；

3．升降舵Elevators：升降舵是模拟飞机水平尾翼中可操纵的翼面部分，其作用是对飞机进行俯仰操纵；

4．小翼Winglets：小翼是一组直立的小翼面，装在飞机机翼梢部，用以减小飞行过程中机翼诱导阻力。模拟器提供有off和on两种取值可供选择。

2.2 操作阶段因子

1.投掷时的初始姿态：投掷时的初始姿态不同，对纸飞机飞行的距离产生的作用力不同；

2.投掷的力度：投掷时对纸飞机施加的力度不同，纸飞机飞行的稳定性和飞行的距离也不同。

3.飞行环境的影响：进行纸飞机飞行时所选择的环境对纸飞机飞行的稳定性和飞行的距离也有很大的影响。

第三章尖头三角翼型设计

3.1 明确参数范围

纸张质量为33——99、升降舵为20——80、小翼为off和on、投掷角度为0°——45°。

3.2 正交设计分析

根据正交试验设计原理，选择A（纸张质量）、B（升降舵）、C（投掷角度）为因子，而后在进行小翼选择试验。

因子水平：因子A水平为3，参数选择33、66、99。

因子B水平为3，参数选择20、50、80。

因子C水平为3，参数选择0°、30°、45°。

使用SPSS得出正交表格

列号试验号	A 纸张重量	B 升降舵	C 投掷角度	试验结果（纸飞机飞行距离）/m
1	33	20	0	23
2	33	50	30	25.6
3	33	80	45	14.6
4	66	20	30	29.1
5	66	50	45	21.8
6	66	80	0	31.5
7	99	20	45	28.3
8	99	50	0	28.5
9	99	80	30	26.6

表1 尖头三角翼纸飞机-正交试验设计表

3.3 极差分析

列号试验号	A 纸张重量	B 升降舵	C 投掷角度	试验结果（纸飞机飞行距离）/m
1	33	20	0	23
2	33	50	30	25.6
3	33	80	45	14.6
4	66	20	30	29.1
5	66	50	45	21.8
6	66	80	0	31.5
7	99	20	45	28.3
8	99	50	0	28.5
9	99	80	30	26.6
K1	63.2	80.4	83	总和 $K = K 1 + K 2 + K 3 = 229$
K2	82.4	75.9	81.3
K3	83.4	72.7	64.7
k1	21.1	26.8	27.7	总平均 $\frac{229}{9} = 25.4$
k2	27.5	25.3	27.1
k3	27.8	24.2	21.6
R	6.7	2.6	6.1

表2 尖头三角翼纸飞机-极差分析表

k1	21.1	26.8	27.7
k2	27.5	25.3	27.1
k3	27.8	24.2	21.6

表3 尖头三角翼纸飞机-极差分析表2

由上表得，此最佳实验组合为A=99，B=20，C=0°，并且因子A（纸张重量）的影响最大。

3.4 方差分析

列号试验号	A 纸张重量	B 升降舵	C 投掷角度	D 空列	试验结果（纸飞机飞行距离）/m
1	33	20	0	1	23
2	33	50	30	2	25.6
3	33	80	45	3	14.6
4	66	20	30	3	29.1
5	66	50	45	1	21.8
6	66	80	0	2	31.5
7	99	20	45	2	28.3
8	99	50	0	3	28.5
9	99	80	30	1	26.6
K1	63.2	80.4	83	71.4	T=229 $CT = \frac{T^{2}}{n} = 5826.78$
K2	82.4	75.9	81.3	85.4
K3	83.4	72.7	64.7	72.2
K1j2	3994.24	6464.16	6889	5097.96	${SS}_{j} =$ $\frac{1}{r} \sum_{i = 1}^{m} (K_{ij}^{2} - CT)$
K2j2	6789.76	5760.81	6609.69	7293.16
K3j2	6955.56	5285.29	4186.09	5212.84
${SS}_{j}$	86.41	9.98	68.15	41.21

表4 尖头三角翼纸飞机-方差分析表

使用spss，使用主效应模型，两两比较选择S-N-K模型，得出以下结果

主体间效应检验
因变量: 纸飞机飞行距离
源	III 类平方和	自由度	均方	F	显著性
修正模型	164.533a	6	27.422	1.331	.489
截距	5826.778	1	5826.778	282.792	.004
A	86.409	2	43.204	2.097	.323
B	9.976	2	4.988	.242	.805
C	68.149	2	34.074	1.654	.377
误差	41.209	2	20.604
总计	6032.520	9
修正后总计	205.742	8
a. R 方 = .800（调整后 R 方 = .199）

表5 主效应检验

由表5得，试验结果有99%的把握是正确的。

K1j2	3994.24	6464.16	6889
K2j2	6789.76	5760.81	6609.69
K3j2	6955.56	5285.29	4186.09

表6 尖头三角翼纸飞机-方差分析表2

结果的得出，最佳组合为A=99，B=20，C=0°。并且A的显著性最大。

3.5 小翼设计

选择尖头三角翼纸飞机，纸张重量为99，升降舵为20，投掷角度为0°，对小翼选择off和on进行试验。

小翼试验号	off	on
1	27.1	29
2	28.9	28.9
3	28.1	30.9
4	27.8	28.6
5	28.3	27
6	26.9	31.1
7	29.6	27.3
8	27.4	30
9	30.1	28.6
10	28.1	28.3
均值	28.2	28.9

表7 小翼设计试验表

由表7得，纸张重量为99，升降舵为20，投掷角度为0°的尖头三角翼纸飞机选择有小翼。

3.6 尖头三角翼型设计结果及分析

根据以上试验结果，设计出纸张重量为99，升降舵为20，投掷角度为0°，有小翼的尖头三角翼纸飞机模型。在人保证纸飞机正常飞行的情况下全力投出，平均投掷飞行距离为28.9m。

第四章方头矩形翼型设计

4.1 明确参数范围

纸张质量为33——99、升降舵为20——80、小翼为off和on、投掷角度为0°——45°。

4.2 正交设计分析

根据正交试验设计原理，选择A（纸张质量）、B（升降舵）、C（投掷角度）为因子，进行小翼选择试验。

因子水平：因子A水平为3，参数选择33、66、99。

因子B水平为3，参数选择20、50、80。

因子C水平为3，参数选择0°、30°、45°。

使用SPSS得出正交表格

列号试验号	A 纸张重量	B 升降舵	C 投掷角度	试验结果（纸飞机飞行距离）/m
1	33	20	0	18.9
2	33	50	30	21.5
3	33	80	45	20.3
4	66	20	30	20.5
5	66	50	45	25.6
6	66	80	0	34.6
7	99	20	45	27.6
8	99	50	0	24.2
9	99	80	30	28.2

表8 方头矩形翼纸飞机-正交试验设计表

4.3 极差分析

列号试验号	A 纸张重量	B 升降舵	C 投掷角度	试验结果（纸飞机飞行距离）/m
1	33	20	0	18.9
2	33	50	30	21.5
3	33	80	45	20.3
4	66	20	30	20.5
5	66	50	45	25.6
6	66	80	0	34.6
7	99	20	45	27.6
8	99	50	0	24.2
9	99	80	30	28.2
K1	64.5	88.6	84.3	总和 $K = K 1 + K 2 + K 3 = 229$
K2	81.2	74.5	81.2
K3	84.6	77.2	64.6
k1	24.5	27.5	27.6	总平均 $\frac{229}{9} = 25.4$
k2	22.6	24.2	24.2
k3	27.5	23.6	21.3
R	4.5	6.2	6.1

表9 方头矩形翼纸飞机-极差分析表

k1	21.5	24.5	27.7
k2	26.5	24.5	27.1
k3	24.2	24.2	21.6

表10 方头矩形翼纸飞机-极差分析表2

由上表得，此最佳实验组合为A=66，B=20，C=0°，并且因子A（纸张重量）的影响最大。

4.4 方差分析

列号试验号	A 纸张重量	B 升降舵	C 投掷角度	D 空列	试验结果（纸飞机飞行距离）/m
1	33	20	0	1	18.9
2	33	50	30	2	21.5
3	33	80	45	3	20.3
4	66	20	30	3	20.5
5	66	50	45	1	25.6
6	66	80	0	2	34.6
7	99	20	45	2	27.6
8	99	50	0	3	24.2
9	99	80	30	1	28.2
K1	61.3	82.3	82.3	71.4	T=232 $CT = \frac{T^{2}}{n} = 5956.23$
K2	82.3	75.4	84.5	85.4
K3	83.2	74.3	75.6	72.2
K1j2	3986.54	6464.16	6542.23	5156.32	${SS}_{j} =$ $\frac{1}{r} \sum_{i = 1}^{m} (K_{ij}^{2} - CT)$
K2j2	6623.54	5454.63	6423.65	7326.42
K3j2	6823.21	5569.54	4123.66	5354.12
${SS}_{j}$	86.69	9.42	62.56	41.52

表11 方头三角翼纸飞机-方差分析表

4.5 小翼设计

选择方头矩形翼纸飞机，纸张重量为66，升降舵为20，投掷角度为0°，对小翼选择off和on进行试验。

小翼试验号	off	on
1	26.5	24.5
2	28.4	24.6
3	25.6	31.2
4	27.5	24.2
5	24.5	21.2
6	24.6	28.5
7	25.6	25.6
8	23.5	28.4
9	24.6	27.2
10	28.2	24.5
均值	28.54	29.65

表7 小翼设计试验表

由表7得，纸张重量为66，升降舵为20，投掷角度为0°的方头三角翼纸飞机选择有小翼。

4.6 方头三角翼型设计结果及分析

根据以上试验结果，设计出纸张重量为66，升降舵为20，投掷角度为0°，有小翼的方头矩形翼纸飞机模型。在人保证纸飞机正常飞行的情况下全力投出，平均投掷飞行距离为29.65m。

第五章平头三角翼型设计

5.1 明确参数范围

纸张质量为33——99、升降舵为20——80、小翼为off和on、投掷角度为0°——45°。

5.2 正交设计分析

根据正交试验设计原理，选择A（纸张质量）、B（升降舵）、C（投掷角度）为因子，进行小翼选择试验。

因子水平：因子A水平为3，参数选择33、66、99。

因子B水平为3，参数选择20、50、80。

因子C水平为3，参数选择0°、30°、45°。

使用SPSS得出正交表格

列号试验号	A 纸张重量	B 升降舵	C 投掷角度	试验结果（纸飞机飞行距离）/m
1	33	20	0	17.7
2	33	50	30	21.4
3	33	80	45	19.8
4	66	20	30	25.4
5	66	50	45	27.6
6	66	80	0	31.5
7	99	20	45	21.5
8	99	50	0	26.4
9	99	80	30	29.3

表12平头三角翼纸飞机-正交试验设计表

5.3 极差分析

列号试验号	A 纸张重量	B 升降舵	C 投掷角度	试验结果（纸飞机飞行距离）/m
1	33	20	0	17.7
2	33	50	30	21.4
3	33	80	45	19.8
4	66	20	30	25.4
5	66	50	45	27.6
6	66	80	0	31.5
7	99	20	45	21.5
8	99	50	0	26.4
9	99	80	30	29.3
K1	63.2	80.4	83	总和 $K = K 1 + K 2 + K 3 = 229$
K2	82.4	75.9	81.3
K3	83.4	72.7	64.7
k1	21.1	26.8	27.7	总平均 $\frac{229}{9} = 25.4$
k2	27.5	25.3	27.1
k3	27.8	24.2	21.6
R	6.7	2.6	6.1

表13平头三角翼纸飞机-极差分析表

k1	21.1	26.8	27.7
k2	27.5	25.3	27.1
k3	27.8	24.2	21.6

表14平头三角翼纸飞机-极差分析表2

由上表得，此最佳实验组合为A=99，B=50，C=30°，并且因子A（纸张重量）的影响最大。

5.4 方差分析

列号试验号	A 纸张重量	B 升降舵	C 投掷角度	D 空列	试验结果（纸飞机飞行距离）/m
1	33	20	0	1	17.7
2	33	50	30	2	21.4
3	33	80	45	3	19.8
4	66	20	30	3	25.4
5	66	50	45	1	27.6
6	66	80	0	2	27.6
7	99	20	45	2	31.5
8	99	50	0	3	21.5
9	99	80	30	1	26.4
K1	62.4	81.2	82	71.4	T=232 $CT = \frac{T^{2}}{n} = 5956.23$
K2	81.5	76.8	83.5	85.4
K3	82.6	73.5	66.5	72.2
K1j2	3987.24	6464.16	6789	5097.96	${SS}_{j} =$ $\frac{1}{r} \sum_{i = 1}^{m} (K_{ij}^{2} - CT)$
K2j2	6526.25	5545.87	6456.32	7293.16
K3j2	6756.32	5463.29	4023.66	5212.84
${SS}_{j}$	85.69	9.87	61.56	42.56

表15平头三角翼纸飞机-方差分析表

5.5 小翼设计

选择平头三角翼纸飞机，纸张重量为99，升降舵为20，投掷角度为0°，对小翼选择off和on进行试验。

小翼试验号	off	on
1	26.3	28.2
2	28.9	27.2
3	28.6	30.1
4	26.5	25.6
5	29.4	27.4
6	25.6	31.5
7	28.5	28.6
8	26.4	29.6
9	29.4	27.2
10	27.2	26.2
均值	27.68	28.63

表16 小翼设计试验表

由表7得，纸张重量为99，升降舵为50，投掷角度为30°的平头三角翼纸飞机选择有小翼。

5.6平头三角翼型设计结果及分析

根据以上试验结果，设计出纸张重量为99，升降舵为50，投掷角度为30°，有小翼的平头三角翼纸飞机模型。在人保证纸飞机正常飞行的情况下全力投出，平均投掷飞行距离为28.63m。

第六章结论与展望

6.1 结论

本课程设计以纸飞机的选择与设计为目标，运用正交设计方法、极差分析方法、方差分析方法分别对影响尖头三角翼型，方头矩形翼型，平头三角翼型纸飞机飞行的因子进行了初步的探索，确定影响纸飞机飞行的因子，并通过paper pilot仿真模拟软件进行纸飞机的试飞，通过调节性能参数，选择影响纸飞机飞行因子的最优组合，确定最大飞行距离，从而根据最优影响飞行的因子进行纸飞机的设计。

6.2 展望

通过本次课程设计，小组成员灵活应用工业工程专业所学相关知识，将理论知识与实践相结合，通过亲自尝试，更深切的感受到工业工程的应用，感受到工业工程在一个企业中的重要性，使我们明白了要想做好工业工程，要理论联系实际，融合多门学科理论，更将理论与实践相结合，不断丰富应用方法，在实践中汲取经验和教训，不断创新，不断总结，不断进步。

5.6平头三角翼型设计结果及分析

根据以上试验结果，设计出纸张重量为99，升降舵为50，投掷角度为30°，用小翼的平头三角翼纸飞机模型。在人保证纸飞机正常飞行的情况下全力投出，平均投掷飞行距离为28.63m。

6.1 结论

本课程设计以纸飞机的选择与设计为目标，运用正交设计方法、极差分析方法、方差分析等方法分别对影响尖头三角翼型，方头矩形翼型，平头三角翼型纸飞机飞行的因子进行了初步的探索，确定影响纸飞机飞行的因子，包括纸张重量、升降舵、小翼重量、投致纸飞机的力度与初始角度。然后通过paper pilot仿真模拟软件对纸飞机进行试飞，试飞过程中调节各因子的参数，记录数据与结果，并选择影响纸飞机飞行因子的最优组合，确定最大飞行距离，从而根据最优影响飞行的因子进行纸飞机的设计。

6.2 展望

通过本次课程设计，小组成员影响纸飞机飞行的因素有了一定的了解，并在设计与探索之中学到了许多知识。本次课程设计将我们之前所学的理论知识与实践相结合起来，让我们学会了在生活中如何运用所学知识，并探索生活中的各种奥秘。在课程设计中小组成员相互合作，相互沟通，相互学习；课程设计增加了我们团结合作与解决困难的能力，并且在设计与探索中我们要去知网查找文献，因此学会了查找文献的各种方法与途径，同时还促进了同学之前的友谊。另外，在做模拟实验当中我们小组都发现自己的知识还存在很多不足的地方，处理数据时常常会出现一些低级的错误，很多方法不够熟练，这告诉我们在以后的学习中要更加认真，刻苦，努力把各个重要的科目都学好，重要的方法要全文掌握。只要在不断的学习之下，我们才能超越自我，活动更多、更广泛的知识，才会更容易收获那份美好的甘甜。

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