复合材料翼面结构载荷测量及温度修正技术研究

为修正飞行载荷测量时复合材料结构受湿热环境影响作用,提高载荷测量的精准度,开展复合材料翼面结构载荷测量的修正技术研究。首先,综合考虑湿热环境变化引起的作用,通过分析正交各向异性复合材料的本构模型,建立复合材料湿热力环境应变分离方法。进行碳纤维复合材料平尾盒段温度-载荷试验研究,得到不同应变改装方案下电桥热输出规律以及应变电桥响应系数随温度变化规律。针对飞行试验条件,给出复合材料翼面结构载荷测量受温度影响的定量分析结果及其修正方法,并建立载荷修正方程。结果表明,所构建的修正方法,可明显提高载荷测量精准度。

基于局部自适应代理模型的复合材料结构可靠性评估

为了评估复合材料复杂结构的可靠性,开展基于局部自适应代理模型的可靠性评估方法研究.针对复合材料翼盒结构,建立基于局部自适应算法的应力响应面代理模型和基于Weibull分布的强度分布模型,并基于蒙特卡洛法与Hashin准则计算翼盒结构的可靠性;同时开展复合材料翼盒结构的准静态拉伸试验,获得失效位置、失效形式及力-位移曲线,并以二项分布估计试验结果的置信度.结果表明:翼盒结构的失效位置位于上端拐角处,失效形式为基体剪切断裂与纤维拔出,材料参数中剪切模量对失效位置应力响应影响最大,结构需要优化设计减小拐角处剪切应力;基于局部自适应代理模型的可靠性评估数值分析结果与试验结果相对误差为5.295%,准确地评估了结构的可靠性.

薄层碳纤维斜纹布层压板二次胶接试验研究

将复合材料薄板二次胶接技术应用在小型无人机机翼主承力结构上,对于降低机翼盒段的制造成本具有重要的工程应用价值。采用碳纤维斜纹布制2 mm薄板进行单搭接结构拉剪试验,分析3种不同型号的胶粘剂对该薄板的适配性以及胶层厚度和层压板铺层角度对二次胶接强度的影响,并通过ABAQUS软件进行模拟验证。结果表明:使用SY-23B环氧结构胶,胶层厚度为0.2 mm、铺层方式为[(0/90)]_(8)-[(0/90)]_(8)的结构件,胶接性能最优,结构剪切强度可以达到18.2 MPa,满足小型无人机受力盒段的胶接强度要求,二次胶接成型的机翼受力盒段具有轻质化、低成本的优点。

基于神经网络的翼盒结构响应重构方法应用

翼盒结构复杂,航行中承载条件恶劣,利用有限测点信息重构其他位置响应对于实时健康监测具有现实意义。通过误差反向传播神经网络训练得到响应之间的非线性关系,建立基于神经网络的响应重构方法,开展有限元分析对其进行数值仿真验证,并将该方法应用于实测随机激励环境下翼盒典型承力结构的响应重构及损伤定位与判断分析。结果表明:采用该方法预测响应功率谱密度的均方根相对误差不超过1.90 dB,主要频点误差小于10%;判断出翼盒关键测点e的损伤或故障发生在所截取片段数据3 s后,其故障特征频率为240 Hz左右,该方法应用于响应重构预测及健康监测分析具有可行性。

民用飞机翼盒结构闪电环境仿真验证试验方法研究

民用飞机翼盒结构闪电环境仿真验证试验是部段级适航取证试验,用于获取民用飞机翼盒结构闪电环境,并将试验结果与民用飞机翼盒结构闪电仿真结果进行对比,修正翼盒仿真模型。总结了民用飞机翼盒结构闪电环境仿真验证试验的试验方法,介绍了试验背景和目的,提出了试验要求,包括试验对象要求、试验电流路径要求、试验电流波形要求、试验回路网要求,描述了试验的具体实施方法,包括电流试验、电压试验和表面磁场试验。其中,缩比电流法和同轴回路网是开展民用飞机闪电试验的关键点,因此,对缩比电流法的目的和实施方式做了重点介绍,同时对搭建同轴回路网的目的和关键参数做了重点解释,对民用飞机部段级结构闪电环境试验具有一定的指导意义。

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。

HHT在复合材料机翼盒段结构小损伤检测中的应用

提出一种检测结构微损伤的时域方法,利用H ILBERT-HUANG变换技术,研究了悬臂机体盒段结构的损伤振动检测问题,并引入轴对称信号扩展法解决EMD过程中的端点效应。用EMD技术分解完好盒段与损伤盒段在方波信号激励下的动力响应信号,得到一系列IMF分量;然后求出各阶IMF分量对应的瞬时频率,从中提取出结构损伤信息-瞬时频率变化量,作为损伤特征参数;并研究了将之作为损伤特征参数的抗噪声干扰能力。

某无人机复合材料主翼盒准等强度设计与有限元分析

以某无人机复合材料主翼盒准等强度设计与优化为目标,研究了主翼盒基于载荷分段的包络设计方法与铺层优化方法。采用等步长载荷包络设计方法计算了准等强度翼盒前梁的分布载荷,给出了前、后梁的初步铺层设计。建立了主翼盒的有限元模型,基于有限元分析结果校核了主翼盒的强度、刚度和稳定性。给出了主翼盒前、后梁以及蒙皮的铺层优化方案。研究结果表明,等步长载荷包络设计方法能够方便地计算主翼盒前、后梁的分段载荷;基于经典层合板理论对主翼盒进行铺层的初步设计,并运用有限元软件进行分析与校核,可以快速、有效地完成主翼盒铺层的分段优化设计;大展弦比机翼受最大正过载时,翼根上表面受压缩载荷,前梁上缘条和上蒙皮易发生局部屈曲失稳;减少主翼盒前、后梁下缘条以及下蒙皮铺层数目,可使结构减重达5.23%。

基于支持向量回归机的机翼盒段结构健康监测研究

针对大型飞行器结构的健康监测问题,提出采用光纤光栅型智能结构监测方法对机翼盒段进行载荷监测。对埋置的光纤光栅传感器的光谱进行了分析,研究了光纤光栅传感器中心波长变化与载荷位置的关系。采用支持向量机研究机翼盒段载荷自诊断问题,并对支持向量机的相关调整参数进行了优化,预测结果与广义回归神经网络进行对比。结果表明,支持向量机的网络测试误差为0.23%,预测精度明显高于广义回归神经网络。实验证明该方法在训练样本较少时,仍然能有效地判定载荷位置,系统的辨识力较高。

基于振动响应和HHT技术的机翼盒段结构损伤检测方法研究

提出一种利用结构振动响应和HILBERT-HUANG变换(HHT)技术检测结构小损伤的时域方法,研究了基于HHT的悬臂机翼盒段结构的损伤特征量的提取方法,给出了所提取特征量与结构损伤程度之间的关系。用HHT技术处理完好盒段与损伤盒段在信号激励下的结构动力响应信号,得到信号的希尔波特谱;然后求出希尔波特谱对应的瞬时能量,从中提取出结构损伤信息—瞬时能量变化量,作为损伤特征参数;并研究了将之作为损伤特征参数的抗噪声干扰能力。最后给出了瞬时能量变化量最大值与结构损伤程度之间的关系。

基于准分布式光纤光栅传感器的机翼盒段载荷监测

以某型飞机机翼盒段为研究对象,建立了盒段试件的有限元模型,分析外载荷和应变分布之间关系。采用波分复用形式构建了分布式光纤Bragg光栅传感网络测量盒段试件的应变,设计了网络中光纤传感器的排布方式,在此基础上研究了传感网络的温度补偿方法。运用波长监测方法对盒段结构承受的不同载荷进行了实验研究。结果表明,传感器的波长偏移与载荷成线性关系,斜率由于加载点位置的变化而不同。传感器的最大载荷监测灵敏度达3.09 pm/N。

复合材料翼面结构优化设计及分析

复合材料具有比强度高、比刚度大、抗疲劳等诸多优异性能,在航空航天结构中得到了广泛的应用。复合材料在新研制的飞机上的应用比重也越来越高,在大型民用飞机Boeing787上,复合材料结构重量占到了全机结构重量的50%。复合材料层合板具有无与伦比的设计潜力,成为复合材料中使用最多的一种结构形式。本文以某型号飞机机翼翼盒为研究对象,建立了翼盒结构的有限元模型,以结构质量为目标函数,以位移、应变和屈曲因子为约束条件,并利用工程优化软件对复合材料翼面进行优化。整个翼面设计优化过程包括三个阶段:自由尺寸优化、层组尺寸优化和层叠次序优化。优化结果表明,通过三个阶段的优化,在满足刚度、强度和稳定性三种约束的要求下,明显减轻了翼面结构的质量。

基于布拉格光纤光栅的碳纤维壁板损伤监测研究

针对大型的碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,提出使用光纤布拉格光栅测量结构应变场分布,通过神经网络判别结构损伤的方法,对典型的飞机碳纤维复合材料盒段壁板结构进行健康监测研究。研究了损伤对机翼盒段壁板结构应变场的影响,研究结果表明,光纤布拉格光栅作为传感器可以较好地应用于航空材料的结构健康监测中,采用神经网络的判别方法可以较准确地判别出结构损伤的位置和程度。

基于FBG的机翼盒段结构健康监测系统功能验证研究

光纤布喇格光栅(FBG)传感器因其具有抗电磁干扰,质量轻,可多路复用等优点,在结构健康监测领域有广泛的应用前景。国内在航空结构的健康监测领域研究中,对FBG传感器的应用研究均集中在实验室小尺寸试件上进行,该文在某型无人机大型碳纤维复合材料机翼盒段实验件上布置了34个FBG传感器组成FBG健康监测系统,在机翼盒段的强度测试中对其进行了在静态扭转和弯曲载荷下的在线实时应变分布监测,并将其与传统应变片测得的数据进行对比,得到了好的吻合性。该文还针对FBG的该应用,对其粘结剂的选取和标定方法进行了讨论。

大悬臂展翅预应力混凝土宽箱梁桥极限承载力分析

针对大悬臂展翅结构的极限承载能力问题,以某大悬臂展翅预应力混凝土宽箱梁桥为实际工程背景,建立精细的空间有限元模型进行数值分析。考虑结构几何非线性和材料非线性,研究偏心集中荷载、对称集中荷载、均布荷载3种工况作用下,结构的极限承载能力及裂缝的分布规律。结果表明,对称加载形式的极限承载能力大于非对称加载形式的极限承载能力;非对称荷载作用下,桥梁应力及裂缝分布也具有较大非对称性,且悬臂板根部更加容易出现裂缝,均布荷载作用下,桥梁边跨应力状况劣于中跨。

基于LS-SVMs机翼盒段壁板损伤辨识研究

针对大型的碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,研究采用光纤布喇格光栅测量结构应变场分布,提出采用最小二乘支持向量机(LS-SVMs)建立应变场-损伤非线性黑箱模型辨识结构损伤法,对典型的飞机碳纤维复合材料盒段壁板结构进行健康监测研究。针对大尺寸带有加强桁条和螺钉通孔的复杂结构盒段壁板试件,建立了7个点的布喇格光栅应变测量网络测量试件有代表性区域的应变场。通过施加280个不同的点载荷模拟损伤,建立应变场与损伤的非线性映射关系黑箱模型;采用LS-SVMs的黑箱模型辨识法对应变场进行有效辨识,准确地判别出280种结构损伤的位置和程度。

大型复合材料加筋壁板自动化制造技术研究

先进复合材料由于其性能上的优势,在飞机上的应用越来越广。然而目前国内的复合材料行业仍以手工成型为主,研究大型复合材料加筋壁板自动化制造技术对推动国内复合材料行业发展具有重要意义。以某型号中央翼盒下壁板为研究对象,验证了自动铺带、热隔膜成型、自动翻转组合等整套自动化制造流程,为建设复合材料自动化生产线打下了基础。

大展弦比机翼剖面刚度分析

通过对变截面悬臂梁在一端受载时,自由端的位移、转角和悬臂梁各剖面刚度之间关系的分析,推导出一种基于有限元模型的剖面刚度计算方法。针对某型飞机,对机翼结构进行适当简化,建立机翼主承力结构的有限元模型,采用所推导出的方法计算了机翼沿展向各剖面的刚度,其结果可为某型飞机机翼结构设计和气动弹性分析提供参考。

盒式机翼布局气动特性研究

采用数值模拟的方法研究了盒式机翼布局的气动特性。在数值模拟过程中,控制方程为雷诺平均N-S方程,采用基于非结构网格的有限体积方法进行求解。空间离散采用了Osher逆风格式,时间离散则采用五步Runge-Kutta格式。紊流模型采用了S-A方程模型。对盒式机翼布局外形在不同状态下的流场进行了数值模拟,给出了每个状态下的气动参数,并进行了分析,结果显示盒式机翼布局具有较好的气动特性。