飞机复材主承力结构数字化高性能装配协调技术研究与应用

为满足新一代大型飞机复合材料主承力结构高精度、低损伤、低应力的装配性能与技术指标保证需求,本文以产品多种类关键特征耦合分析与控制为装配协调设计线索,以工程化应用研究为主线,系统地阐述了以关键特征识别、三维工艺容差仿真分析、装配过程变形预测、实测数据预装分析、高精度装配补偿等方法为主要技术路径的飞机复材主承力结构数字化高性能装配协调技术体系,并以典型复材外翼盒段部件装配为对象,对上述体系方法进行了全流程工程应用研究与试验验证,解决了复材外翼盒段部件装配协调设计与产品补偿策略设计问题,产品装配质量满足设计要求。

对地观测微小卫星主承力结构的优化设计与试验

为降低对地观测小卫星单机安装点加速度响应均方根值,提出了一种使加速度响应均方根值最小化的微小卫星主承力结构拓扑优化方法。首先对整星方案进行了有限元分析,分析显示整星Z向某些单机安装点的随机振动加速度响应均方根值过大。对系统进行了灵敏度分析,确定了卫星主承力结构底板是影响随机振动加速度响应均方根值大小的关键因素。以卫星单机安装点的加速度响应均方根值为目标函数,以体积作为优化的约束条件,应用连续体结构拓扑优化思想对卫星有限元模型进行拓扑优化设计,得到了一种单机安装点加速度响应均方根值满足指标要求的卫星主承力结构。最后,通过有限元分析与振动试验,证明了本文所设计的小卫星主承力结构力学性能参数均满足设计要求,其中整星的星敏感器、蓄电池、电源控制器等关键器件安装点的加速度响应均方根值相比优化前分别降低了23.3%、10.6%、11.3%,得到的结果验证了本文优化方法的有效性。

大载荷下空间桁架结构主承力用碳/环氧推力管的重量优化设计

航天发动机推力支架空间桁架结构通常采用金属材料。碳 /环氧复合材料用于这种空间桁架结构的主承力推力管可以显著减轻推力支架的重量。为了节约昂贵的实验费用 ,通常先对支架结构和重量进行优化设计。本文以橡胶芯模辅助RTM工艺制备的碳 /环氧管件为模型建立了某种结构优化后的推力支架空间桁架结构的有限元模型 ,采用大型有限元分析软件ANSYS7.0对推力管的外径、壁厚和重量进行了优化设计 ,得出推力管最佳参数为外径 7.8cm ,壁厚 2 .2 3mm ,总重 11.5 8kg。

飞行器主承力结构的轻量化设计

利用碳纤维复合材料具有比强度及比模量高等优点,针对中心承力筒式卫星主承力结构设计了一种主承力架和若干独立模块层单元组合的结构方案。通过复合材料层压板理论和截面设计理论,对主承力架进行了结构设计。该主承力架由碳纤维复合材料铺层成型,消除了层间耦合刚度;采用薄蒙皮+"几"字型筋+T型环筋的桁架结构和合理的工艺设计提高了主承力架的承载能力。对所设计的主承力架结构进行了数值仿真分析,结果表明主承力架强度和刚度均满足设计要求。最后,对主承力架进行了实验验证,结果显示,实验结果与仿真计算结果基本一致。与铝合金材料结构设计相比,采用碳纤维复合材料的主承力架结构的重量减少了30%以上,实现了飞行器主承力结构的轻量化。

主承力缠绕管件轴压强度实验研究

缠绕复合材料管件已经在航空航天上用于大载荷主承力构件,为进一步提高这类管件的轴压强度,本文对影响缠绕管件轴压强度的一系列因素进行了实验研究,系统地探讨了提高缠绕管件轴压强的途径.研究表明,除了一般文献研究较多的缠绕角对管件轴压强度具有很大影响以外,一般文献很少涉及的环向缠绕层含量和端面边缘效应等因素也对缠绕管件的轴压强度有重要影响.在材料用量和缠绕角相同的前提下,把20%的角度缠绕层改为环向缠绕层后,轴压强度最大能够提高77%;采用缠绕方式对管件受压端头进行加强以后,可以有效地消除受压端面边缘效应的负面影响,亦可提明显高管件轴压强度.

储箱平铺多燃料卫星平台的主承力构架结构

为实现携较多燃料并能传递较大载荷的卫星平台,根据贮箱上下叠放、环向平铺和主承力结构与大容量贮箱一体化等典型贮箱布局介绍了一种储箱平铺的主承力构架结构。该结构可减小平台高度,降低卫星质心,且便于有效载荷扩展,并使工艺更简单。对两卫星平铺主承力结构的有限元数值模拟结果表明,其结构能满足卫星结构的力学性能要求,可作为未来相关卫星研制的参考构型。

基于碳化硅3D打印的遥感相机主承力结构设计与验证

3D打印快速成型技术不断趋于成熟,其应用范围越来越广泛。碳化硅材料具有较高的弹性模量、比刚度及较好的稳定性等物理性质。为了使遥感相机主承力结构突破传统工艺和设计思路的限制,在提高轻量化程度的同时获得更好的力、热稳定性,使用碳化硅作为原材料,采用3D打印的制造方式研制主承力结构。首先介绍了碳化硅3D打印技术的优势和特点;之后,根据技术特点梳理了主承力结构的设计方法;然后依据设计方法开展了结构设计、仿真以及优化工作;最终,主承力结构外包络为400 mm×370 mm×430 mm,一阶频率为639.9 Hz,质量仅为4.2 kg,与传统方案相比减重41.6%,具有良好的力、热稳定性,满足使用要求。经过力学试验验证,符合设计预期。

飞机主承力构件疲劳裂纹萌生和扩展的声发射评价

讨论了利用声发射(AE)监测飞机关键部位疲劳裂纹形成和扩展的意义、可行性以及应当注意的问题.提出利用多参数识别和相关技术从高背景噪声中获取裂纹扩展所产生的声发射信号,并曾在疲劳试验过程中多次成功预报了飞机一些主承力构件的疲劳裂纹萌生和扩展.

基于最临界约束准则法的机翼主承力结构优化

利用最临界约束准则法对某型飞机机翼主承力结构在强度,位移,扭转角,稳定性和尺寸约束下,以最小重量为目标函数进行了优化,并在实际操作过程中依据机翼结构的复杂性对最临界约束准则法做了相应的修改。结果表明,应用最临界约束准则法进行机翼结构优化时,效率较高,机翼结构重量稳定下降,优化效果明显。

一种轻型直升机复合材料主承力管梁的强度分析与试验验证

根据某型直升机平尾主承力管梁的结构特点和受力特性,研制了一种全复合材料平尾主承力管梁结构。通过理论计算进行可行性分析,并采用MSC.Patran/Nastran建立了管梁有限元分析模型,根据实际载荷及约束条件进行了静强度分析,给出了结构应变与位移结果;同时设计了强度试验方案,对管梁结构进行静强度试验验证。结果表明:全复合材料主承力管梁结构满足强度设计要求,与金属材料相比,减轻了17.6%的结构重量,充分体现了复合材料管梁结构优良的整体性能和承载能力,为复合材料应用于直升机主承力结构提供了依据。

大型SAR载荷外挂的卫星主承力结构设计

针对大型合成孔径雷达(SAR)载荷外挂的卫星载荷传力路径不直接、安装点载荷集中复杂的难点,提出一种"板筒式+加强梁组合式"主承力结构。国内首颗大型SAR载荷外挂的卫星——高分三号(GF-3)卫星,以板筒式结构为基础,通过在SAR载荷压紧安装点间布置贯穿星体的6根加强梁以及舱板布局设计,解决了SAR载荷无法直接安装于主承力构架带来的整星纵向频率偏低、载荷安装点应力集中等设计难题。

减小整星基频漂移的主承力结构设计

针对以往小卫星振动试验中出现的频率漂移现象,分析了问题产生的原因,提出了解决改进措施,并对关键部位结构进行了优化设计,试验验证了改进措施的有效性。此项设计已经应用于后续多个在研卫星型号。

主承力结构对柴油机振声响应影响规律的研究

建立某12V型柴油机的有限元模型,进行整机振动频响计算,并结合AML方法建立该柴油机的声辐射预测模型。在此基础上,开展主承力结构不同设计参数方案下的内燃机整机振声响应计算,从而确定影响内燃机振声响应的主承力结构关键设计要素:主轴承座-盖宽度、机体箱体内侧板位置及机体箱体外侧板厚度,并对上述设计参数进行关于内燃机整机声功率级的响应面分析。通过响应面分析的结果,获得了该柴油机主承力结构的最优设计方案,对比优化前后整机声功率级值,主承力结构优化后整机声功率级值减小了1.87 d B(A),即优化后声功率比原始结构下声功率减小了1/3,优化效果显著。

复合材料在大飞机主承力结构上的应用与发展趋势

大飞机的主承力结构件采用复合材料制造已成趋势,介绍了波音公司、空客公司和中国商飞等民机主制造商在飞机主承力结构上应用复合材料的情况。目前,复合材料主承力结构件具有大型化和整体化的特点,已从预浸料手工铺贴和自动铺带转向纤维自动铺放技术。以复合材料液体成型技术为代表的非热压罐工艺以低设备投入、低能耗、低制造成本、易于复杂型面成型和整体化成型的优势逐渐得到了重视。

姿轨控动力系统复合材料主承力结构的设计与试验

针对某液体姿轨控动力系统主承力结构选用铝、镁合金等金属材料难以达到减重设计的目的,选用碳纤维双马来酰亚胺树脂复合材料加工制造该主承力结构,从而实现在满足结构强度和适应温度环境要求的前提下,达到非常好的减少质量效果,进而实现航天器轻质化设计、提高航天器运载能力、增大有效载荷的目的。根据主承力结构使用环境及功能要求,在完成复合材料的选用及结构设计后,对主承力结构进行了有限元仿真分析及静力试验,通过仿真计算、静力试验的迭代及优化改进,使得产品性能满足了技术要求。研究方法可为复合材料应用于类似主承力结构提供借鉴参考,并对该复合材料主承力结构在型号应用中遇到的技术难点进行总结,对复合材料的发展趋势进行展望。

面向增材制造的飞机主承力结构优化设计

21世纪,我国的科学技术快速发展,在这个前提之下民用飞机交通已经大规模地投入到日常生活的使用,所以对于民用飞机的使用效率以及飞机质量等是需要工作人员大力研究的方向,特别是对于民用飞机的主承力结构以及制造材料需要利用特殊的手段来加以研究。这些方面需要从民用飞机当中结构分布的特点和结构优化等方面来分析,研究出更加科学、承力能力更加强的民用飞机主承力结构,以缩短飞机建造过程的施工周期、提高结构部件质量的措施,同时将改进后的方法做比较,更好的实现所期待的目标。

激光增材制造高强高韧TC11钛合金力学性能及航空主承力结构应用分析

随着损伤容限设计理念发展和轻量化要求提高,高强高韧钛合金逐渐成为航空装备关键主承力构件主要结构材料。激光增材制造制备钛合金大型主承力构件具有数字化、短周期、低成本等技术优势,特别是激光增材制造过程超常固态相变动力学条件为制备高强高韧钛合金提供了新的机会。本文根据航空主承力结构选材性能要求,对激光增材制造TC11钛合金静强度、疲劳和损伤容限特性进行测试与分析,在此基础上对其在航空主承力结构的应用前景进行分析。结果表明,激光增材制造TC11钛合金力学性能具有显著的高强高韧和低屈强比特征,其疲劳缺口敏感性和裂纹扩展速率低,性能分散性小,综合性能满足航空主承力结构选材要求。与目前航空主承力结构广泛应用的TC4-DT损伤容限型钛合金相比,激光增材制造TC11高强高韧钛合金损伤容限特性相当、疲劳性能有所改善、许用应力提高23%,结构具有进一步减重优势。激光增材制造TC11钛合金优异的强韧性匹配在提高结构许用应力的同时可避免大厚度结构发生脆性断裂,其低疲劳缺口敏感性和优异的疲劳裂纹扩展特性对于结构服役安全具有重要意义。

某型飞机主承力接头布局拓扑优化设计

为了实现飞机部件的轻量化设计,将拓扑优化和代理模型相结合构建了一个结构布局优化的算法。以某型飞机主承力接头为研究对象,根据结构传力路线和工艺要求,将接头的布局优化转化为耳片的平面拓扑优化与螺栓位置的优化。以接头耳片的厚度和中间排螺栓位置作为布局变量,对每组布局变量下的耳片进行拓扑优化,对布局变量采用基于代理模型的遗传算法进行优化。以质量最小为优化目标,在强度与刚度的多约束条件下,完成了某型飞机主承力接头的布局拓扑优化。结果表明,本方法的优化结果比传统的拓扑优化结果减重约14.5%,验证了优化算法的可行性与有效性。

航天主结构复合材料及其软模辅助RTM成型工艺

文章对国内外聚合物基复合材料在航天主承力结构上的应用研究作了简要评述,重点介绍了采用软模辅助RTM工艺成型聚合物复合材料主承力结构的研究进展及应用现状。

国外承力筒与构架结构应用浅析

对国外几种典型的主承力筒式结构和主构架式结构进行了分析，阐明了各自的长处、短处，给出这种结构的有关示意图。强调了在卫星结构选型的具体问题作具体分析。