基于组合梁结构的复合材料机翼设计及验证.pdf
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1、基于组合梁结构的复合材料机翼设计及验证:/基于组合梁结构的复合材料机翼设计及验证王 静 路 畅 邬盼盼 李 闯(沈阳航空航天大学 材料科学与工程学院 沈阳 沈阳航空航天大学 航空宇航学院 沈阳 沈阳航空航天大学 自动化学院 沈阳)摘要:本论文以给定外形及尺寸的复合材料机翼为研究对象进行机翼的结构设计和整体成型方案的研究 利用 软件建立机翼的三维实心模型设置模型为各向同性材料并以三点弯曲的加载方式进行有限元分析 基于 的有限元结果对机翼主要受力区域进行单独设计 结合梁结构屈曲和刚度效率准则提出了“双 工字组合梁”的骨架方案 通过对采用等厚度铺层的中央翼盒进行位移响应分析提出了中央翼盒阶梯铺层的设
2、计方案 利用 对铺层后的中央翼盒进行有限元分析并对比试验结果对中央翼盒铺层进一步设计提高中央翼盒的刚度 采用分步固化共胶接成型工艺避免填充泡沫加工的同时提高了机翼整体载重比 最终提出了一种屈曲及刚度效率高的复合材料机翼设计方案其中机翼总重为 载荷/重量比为 /证明了设计方案的合理性和有效性关键词:复合材料机翼 中央翼盒 铺层设计 组合梁 分步固化中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.“”./.:收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()辽宁省兴辽英才计划项目()辽宁省教育厅面上项目()辽宁省大学生创新创业计划训练项目作者简介:王静()女 博士 副教授 主要从事复合材料结构及性能方面的研究
3、 复合材料以高比强度、高比模量、耐腐蚀的特点在航空航天等领域得到了广泛应用 近年来复合材料在飞机的应用比例逐年递增其以自身的优势满足了机翼设计对重量、性能的要求因此复合材料机翼设计一直是国内外研究的重点 复合材料机翼设计主要包括了机翼强度分析、结构设计及铺层 年 月复合材料科学与工程设计针对这类复合材料机翼已有学者进行了大量的研究 其中罗楚养和熊峻江等对机翼内部 种梁结构进行了研究同时定义了梁结构屈曲和刚度效率的比较准则 冯雁等人利用遗传算法对层合板铺层的顺序进行了优化 张驰和郑锡涛等人基于薄壁工程梁理论提出了重心前移的多翼盒结构方案 李翰洋和程文渊等人利用有限元软件对机翼的铺层位置、顺序及厚
4、度进行了优化设计以给定外形及尺寸的复合材料机翼为研究对象进行了机翼结构设计、机翼制作及机翼试验等工作 在前人研究的基础上提出了“双 工字组合梁”的骨架设计方案并通过对初步采用等厚度铺层的中央翼盒进行位移响应分析提出了中央翼盒阶梯铺层的设计方案 结合有限元分析结果和试验进一步对层合板铺层进行设计 最终提出了一种不仅满足设计要求而且屈曲效率和刚度效率较高的复合材料机翼设计方案 机翼设计要求复合材料机翼模型由翼身和翼梢小翼等部分组成 机翼的左右两部分完全对称翼梢小翼与翼身末端相接且对称相反分布在两侧 翼身的上表面为水平面下表面为斜平面 图 为左侧机翼各截面形状图 为机翼三点弯曲测试方式图 左侧机翼各
5、截面示意图 图 机翼外形及加载示意图 机翼的加载试验采用三点弯曲模式中心载荷 作用在机翼的表面同时一个 的力矩分别作用在两端的翼梢小翼上当中心载荷 作用时允许的最大挠度为 由跨距中心(即载荷点)十字头移动位移测量中心载荷 通过一个 宽的接箍以 /的速度施加在机翼的中心且只进行垂直移动机翼制作的材料选取了连云港神鹰 型号的碳纤维单向板以及 型号的 泡沫 表 为 泡沫材料性能数据表 为 碳纤维单向板的性能数据表 泡沫材料性能数据 变量数值变量数值密度/()压缩强度/.剪切模量/弹性模量/拉伸强度/.剪切强度/.表 碳纤维单向板的性能参数 变量数值变量数值预浸料密度/()单层厚度/.纵向拉伸强度/纵
6、向拉伸模量/横向拉伸强度/横向拉伸弹性模量/纵向压缩强度/纵向压缩弹性模量/横向压缩强度/横向压缩弹性模量/面内剪切强度/面内剪切模量/.层间剪切强度/树脂含量/.机翼的强度分析及结构设计复合材料机翼的设计主要由机翼结构设计和铺层设计及优化等方面组成 机翼的屈曲及刚度效率取决于机翼的结构布局因此首先要确定机翼的整体布局再进行内部骨架及铺层设计 翼梢小翼上的力矩仅为 所受载荷很小其对整体机翼的承载基本没有影响因此主要对支点之间的主翼进行布局设计 机翼结构设计首先采用 有限元软件对整个机翼进行了受力分析 利用 软件建立机翼的三维实心模型初步设置机翼模型属性为各向同性其中 年第 期基于组合梁结构的复
7、合材料机翼设计及验证材料参数 并按照上述约束方式在翼根处加载 得到的有限元结果如图()、图()所示 由有限元结果可知机翼的受力并不均匀受力主要集中在机翼的中间和前缘部位 因此本文对两支点以内及前缘部分进行单独设计并使其作为机翼的承力段 本文选择了薄蒙皮梁式机翼结构设计方案薄蒙皮只用来维持机翼外形不作为承力部分 机翼的结构设计如图 所示中间部分为机翼的承力段(中央翼盒)()机翼应力云图()机翼位移云图图 机翼有限元分析结果 图 机翼的结构设计 中央翼盒的结构分析及设计机翼的受力集中在中央翼盒上因此需要对中央翼盒的内部结构进行设计进而确定中央翼盒的铺层方案 为了减少铺层面积尽可能提高机翼的载荷/质
8、量比值减小了中央翼盒的体积并将其靠前放置 图 为中央翼盒的整体设计方案图 中央翼盒的整体设计 在不考虑其他复杂影响因素的情况下中央翼盒的设计主要考虑强度、刚度 设计中央翼盒时首先要确立梁的结构类型根据中央翼盒的外形设计了 种梁结构分别为双 形梁、工字梁和双 工字组合梁如图 所示图 梁结构设计截面 通过比较 种梁结构的性能来确定中央翼盒的梁结构类型 其中罗楚养等人定义了比较梁结构屈曲和刚度效率的准则:()式中:为屈曲效率即单位质量下结构所能承受的失稳载荷/为刚度效率/为屈曲载荷为限制位移规定为 为位移 为外加单位载荷即 为梁结构模型对应的质量同时本文设定了和作为屈曲和刚度效率的平均值 ()年 月
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