复合材料机翼多工况下的自适应优化设计

为获得具有优良气动性能且兼具结构强度及轻量化的复合材料飞机机翼,提出考虑气动分析和结构分析多目标多工况优化方法。分别对机翼进行气动分析及结构强度分析,以机翼展弦比、锥度比、后掠角为几何优化变量,以机翼上下机翼蒙皮的-45°、90°、45°、0°层厚度和夹芯厚度为结构优化变量,建立以应力、位移为约束,以升阻比最大化和质量最小化为目标的协同优化模型。针对复合材料机翼多目标优化设计存在的计算量大难以取舍的问题,提出基于多准则和物理规划的自适应约束Kriging模型多目标优化算法(adaptive constraint kriging model multi-objective optimization algorithm based on multi-criteria and physical programming,AKBCP)。该算法引入了物理规划法和多准则加点,通过测试算例对比分析表明该算法具有较好的优化效果。将该算法应用到机翼多目标优化中,与初始机翼相比,优化后机翼升阻比提高3.12%,质量减轻31%,研究结果可为复合材料机翼优化设计提供参考。

复合材料机翼结构损伤建模与维修效果评估

当今,使用复合材料补片修复复合材料蒙皮损伤已成为常见做法。然而,目前对损伤位置影响的研究较少,而进行实验研究所需的成本也相对较高。该文利用ABAQUS有限元仿真软件对某型低速飞机的复合材料机翼进行静力学分析,并比较不同位置损伤条件下修复前后的力学性能。结果显示,损伤部位的最大位移与最大应力会随着翼展方向发生变化。此外,贴片修复能有效减少损伤部位承受的应力大小,为复合材料机翼结构损伤修复提供有效手段。

尾座式电动飞机复合材料机翼结构优化设计

以复杂地形地区物资快速投送平台设计为背景,开展尾座式电动飞机复合材料机翼设计研究。对机翼结构载荷进行分析,对机翼结构构件布置和铺层进行设计,形成复合材料机翼结构设计方案。建立复合材料机翼结构有限元模型,开展典型工况条件下的静力分析,得到机翼结构变形、应力和Tsai-Wu失效因子分布。采用分步优化策略,以机翼结构铺层厚度和铺层角度为设计变量,开展机翼结构质量优化计算,优化结果表明,优化后的机翼结构在满足强度和刚度要求下质量减轻约47.77%,可为尾座式电动飞机结构设计提供重要参考。

大展弦比复合材料机翼几何非线性静气动弹性研究

气动弹性研究对机翼稳定性提高具有极其重要的意义,目前大尺寸大展弦比复合材料机翼在气动力作用下,会产生较大的弯曲扭转变形,使得几何非线性静气动弹性问题更加突出,导致该类型飞机稳定性大大降低,严重影响飞行安全。基于CFD/CSD双向耦合方法,考虑几何非线性影响,采用N-S控制方程求解大变形下的气动载荷,通过Newton-Raphson迭代法求解非线性结构平衡方程,对大展弦比复合材料机翼大变形几何非线性静气动弹性问题进行了数值分析;通过仿真分析,得到攻角和马赫数对大展弦比复合材料机翼几何非线性静气动弹性变形的结构变化规律,并重点分析这种气动弹性变形对该型机翼的纵向气动特性变化的影响程度。

基于组合梁结构的复合材料机翼设计及验证

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CATIA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COMSOL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C+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计方案。利用ABAQUS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316.18 g,载荷/重量比为34.85 N/g,证明了设计方案的合理性和有效性。

倾转旋翼机复合材料机翼动特性仿真分析

倾转旋翼机可在直升机模式、固定翼飞机模式和两者之间过渡模式飞行,集直升机和固定翼飞机飞行特点与一身。相比传统直升机,倾转旋翼机的飞行速度大幅提高,飞行包线更大,应用范围更加广阔;与固定翼飞机相比,倾转旋翼机大大降低了对场地的要求,提高了空间灵活性。然而,倾转旋翼机特殊的结构设计使其兼具了类似于直升机“地面共振”“空中共振”以及固定翼飞机回转颤振的动力学不稳定问题,其中回转颤振是倾转旋翼机设计不容忽视的自激不稳定性问题。

不同材料机翼下1 000 kV线路直升机带电作业侵入路径研究

输电线路直升机带电作业侵入路径的研究已经有所开展,但目前还没有考虑不同材料机翼对侵入路径的影响。为此,文中基于轻型复合材料以及金属材料两种不同材料所制机翼,根据1 000 kV三角形排布输电线路的实际参数,建立了直升机带电作业平台(helicopter live-line work platform,HLLWP)靠近输电线路边相导线的模型。通过控制直升机带电作业平台与导线的不同侵入距离以及不同侵入角度,利用有限元法进行静电场计算,得出了直升机及作业人员的表面电场强度。基于计算结果总结得出了不同材料机翼下直升机最优侵入路径,并通过对两种材料机翼下计算结果的分析对比,对不同材料机翼的选择提出了一定的参考意见,以期为直升机带电作业的安全开展提供一些有价值的建议。

复合材料机翼载荷的地面标定方法

为测量复合材料机翼载荷,提升飞机机体结构的安全性,以复合材料机翼为研究对象,基于机翼载荷-电桥响应方程的基本原理,采用回归分析逐步后退法确定机翼载荷方程系数,给出了机翼载荷方程分析方法。结果表明,双梁载荷方程可以较为精确地计算双梁承受的实际载荷,载荷方程的计算最大误差均小于2.52%。复合材料机翼载荷方程可较为精确地计算复合材料机翼承受的实际载荷,载荷方程的计算最大误差均小于1.7%,验证了载荷方程标定方法的正确性。

基于PATRAN/NASTRAN的复合材料机翼蒙皮优化设计

基于有限元分析软件PATRAN/NA STRAN建立了适用于大型复合材料结构的优化系统。对层压板的优化分2级交替进行:第1级优化采用最大应变能准则调整各分层比例;第2级优化先用射线步调参,再从K uhn-Tucker条件和满应力准则出发推导出满足位移约束和强度约束的单元厚度迭代因子进行单元厚度优化。针对文中的优化方法,以复合材料机翼盒段蒙皮铺层优化为例进行了数值计算,通过优化计算验证了该方法有较高的效率,对工程设计具有一定的应用价值。

整体成型复合材料模型机翼设计、制造与验证

根据给定的外形设计了四种不同结构形式的复合材料模型机翼,通过对所采用树脂基体的化学流变特性的研究,确定其最佳固化工艺条件。采用整体成型技术制备了四种全复合材料模型机翼,并进行了三点弯曲试验。结果表明,工字梁结构形式的模型机翼具有最高的载荷重量比,其次为C型梁机翼,而蒙皮-夹芯机翼的载荷重量比最小。其中,蒙皮-夹芯模型机翼在测试中表现为加载点上蒙皮压缩破坏;蒙皮-加筋机翼则表现为支点处的剪切破坏;梁式结构机翼均表现为支点与加载点中间的前缘剪切破坏。采用有限元分析模型机翼的强度与破坏过程,其结果与试验结果吻合良好。

复合材料机翼壁板离散源损伤修理评估方法

针对含离散源损伤复合材料机翼壁板机械连接修理结构,开展了机械连接修理结构渐进式破坏有限元分析技术的研究和验证。建立了利用梁元耦合解析刚性面模拟螺钉,采用适用于平面应力状态的LaRC05强度准则和B-K准则作为复合材料层板和胶接界面失效判据的机械连接修理结构有限元分析模型。在此基础上,通过编写用户自定义材料子程序(UMAT),实现了材料失效准则与刚度退化方案在商用软件Abaqus中的应用和机械连接修理结构承载能力的求解。计算结果表明,对于大规模螺钉连接的复杂修理结构,所采用的有限元建模和分析方法有效可行。与试验结果相比,结构承载能力数值分析与试验值吻合良好,误差在5%以内,预测的失效模式也与试验结果一致。

复合材料机翼壁板离散源损伤修理技术研究

由于机翼为主承力结构,蒙皮修理主要采用机械连接修理方式,针对民机复合材料机翼下蒙皮壁板结构的离散源损伤开展了修理方案设计、试验验证、有限元分析及改进设计研究。首先,根据损伤类型和下蒙皮壁板的传载特性,设计了机械连接金属补片修理方案,并制造了包括含损伤和损伤修理两类试验件,进行了试验验证,修理后承载能力提高了124%,能够满足一般民机复合材料机翼蒙皮设计许用应变。然后,建立了两类试验件的有限元模型,进行了进一步计算分析,通过对试验数据和计算结果的对比分析发现,原修理方案偏于保守,增加了结构重量成本。最后,经计算分析提出了三种改进的修理设计方案,改进后的修理构型II承载能力相对于原修理方案提高了4.7%,而结构重量降低了3.9%,该修理方法可为今后民机复合材料机翼修理方案的设计提供参考。

复合材料机翼试验-数值建模方法及气弹分析

针对机翼结构动力学建模中复合材料离散性引起的精度问题,以及求解速度对机翼气动弹性计算速率的影响,提出了结合模态试验和模态法建立动力学模型的方法。为了提高求解速度,基于模态贡献对机翼模态进行了截断;随后进行了全模态和模态截断的静载数值计算与试验验证。缩减模型的求解结果与全模态求解结果相比误差仅为0.25%左右,其相对于试验结果最大误差仅为6.0%,说明试验-数值建模方法能够准确描述复合材料机翼的动力学响应,并且基于模态贡献的模态截断能够缩减模型、大幅提高求解速度而不会影响求解精度;对机翼进行静、动气动弹性分析,结果表明气动弹性对机翼的动力学响应具有不可忽略的影响。

大飞机复合材料机翼研制技术现状

国外通过几十年复合材料的研制应用,复合材料在各种机型上的应用比例逐步提高,形成了相对成熟的设计理念和方法,相应地开发出各种先进的成型工艺、设备、检测方法和高效的装配工艺等,这都为国内研发复合材料机翼提供了大量可借鉴的经验。

无人机全复合材料机翼的结构有限元分析

为满足UAV机翼的结构强度及隐身要求,机翼采用全复合材料结构,在目前的无人机机翼结构的材料性能、载荷等条件下,对机翼进行了静强度及动力学分析,通过应用有限元分析软件和计算软件对全复合材料机翼进行了建模和静强度分析与动力学分析。

超轻复合材料机翼结构设计及成型技术研究

在给定外形与尺寸的机翼设计要求下,进行了机翼结构设计、工艺设计、产品制造及力学性能实验研究。采用有限元分析软件,对复合材料机翼进行静力学分析,提取了主承力结构,设计了内部骨架结构。提出了“工字梁+薄蒙皮+变厚度”的结构方案,并通过碳纤维复合材料铺层设计和聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫设计,实现机翼内部的结构制造。研究了复杂外形零件模具的设计思路,设计了中央翼盒和机翼双模具。采用模压+共胶接成型工艺方法,设计了机翼成型工艺流程。通过这种方法成功制造了机翼,并进行了力学性能测试。最终制备的机翼表面质量和外形尺寸满足要求,实现了重量轻、载荷比重大的机翼设计与制造。证明了本文结构设计及成型方法的合理性与有效性。

智能复合材料机翼颤振分析

利用哈密尔顿原理和半李兹分析法建立复合材料悬臂板的运动方程,结合边界条件得到其弯扭耦合模态的半解析解.建立具有NACA0012翼型且贴有压电作动器和压电传感器的复合材料机翼的运动方程,利用西奥道生理论,形成智能复合材料机翼气动弹性问题的描述,利用U-g法预测复合材料机翼的颤振速度.通过数值仿真,针对智能复合材料机翼闭环系统中的不同反馈增益系数,计算模态振型和颤振速度.结果表明,不同的反馈增益系数,对模态振型和颤振速度有一定的影响.

基于CFD/CSD与Kriging插值模型的大展弦比复合材料机翼静气动弹性优化设计

基于CFD/CSD耦合计算方法和Kriging近似技术,建立了大展弦比复合材料机翼静气动弹性优化的近似模型。采用多岛遗传和序列二次规划混合优化算法以及多目标遗传和序列二次规划混合优化算法实现了机翼在多目标、多约束条件下的静气动弹性优化设计。优化结果表明:随着试验设计中抽样点个数的增加,近似模型的拟合精度越来越高,当设计样本点数为180时近似模型的最大拟合误差小于1%;在近似模型下,相对于多目标遗传和序列二次规划混合优化算法,采用多岛遗传和序列二次规划的混合优化算法优化时得到的重量小3.7%,升阻比大0.13%,但是寻优速度不如前者;结合近似模型,采用多岛遗传和序列二次规划的混合优化算法优化后机翼的重量减小了10.36%,升阻比增加了2.04%,采用近似模型优化时运行时间仅为不采用近似模型优化的10.23%,证明了该优化方法的可行性。

复合材料铺层角度对大展弦比机翼非线性气动弹性影响研究

为了减轻重量和提高升阻比,现代飞行器结构普遍采用大展弦比布局,并且轻质复合材料在飞行器结构中的使用占比也越来越高。为了研究复合材料铺层角度对大展弦比机翼纵向气动特性及非线性气动弹性的影响,首先以机翼结构的弹性变形为优化目标,以结构强度为约束条件,采用Screening方法对大展弦比复合材料机翼蒙皮的铺层角度进行优化,优化后机翼的刚度明显增强。然后基于松耦合的双向流固耦合数值计算方法,对大展弦比机翼非线性气动弹性及流场进行优化前后的数值模拟,分析了复合材料铺层角度对大展弦比机翼非线性气动弹性变形及纵向气动特性的影响。

大展弦比复合材料机翼设计与CFD/CSM计算

研究沿着机翼气动性能计算、复合材料机翼构形设计、复合材料部件铺层设计、CFD/CSM载荷传递、机翼结构力学性能计算的设计分析流程,完成了一个大展弦比全复合材料机翼的设计过程。计算结果表明:该复合材料机翼能够完全满足预定设计指标要求;与传统金属机翼相比,在刚度提升20%的情况下,结构减重达32%。研究充分说明了所采用设计分析流程的技术可行性。