民用飞机复合材料舱门优化设计

复合材料因其具有比刚度大、比强度高、可设计性强等特点而被广泛应用到民用飞机结构上。针对宽体复合材料舱门设计方案，建立有限元模型进行初步分析，然后以刚度设计要求和强度设计要求为约束条件，对复合材料舱门结构的铺层比例进行了优化，达到了复合材料舱门的减重目的。优化后复合材料舱门的重量降低了10%以上，并且满足所有刚度和强度设计要求。本文所做研究为复合材料气密舱门减重提供了一种有效的方法，并且为类似结构的设计提出了参考建议，在工程上具有一定的指导意义。     

复合材料挖补修理结构渐进损伤分析

采用材料弹性系数的刚度退化模型分析了复合材料挖补结构的极限强度。基于Mayes模型提出了一种复合材料层合板的刚度退化方法,以带中心孔拉伸试件为对象,在完成有限元网格划分与单元选取的适应性研究后,使用复合材料层压板挖补试验件进行了渐进损伤分析方法的有效性验证。开展了挖补结构的渐进损伤分析和挖补参数对极限强度的影响研究。研究结果表明,采用层合单元的有限元模型和基于材料弹性系数的刚度退化模型,可以作为复合材料修补结构强度的基本分析模型,计算效率和分析精度能够满足工程分析需求,修补设计参数对修补结构强度的影响呈非线性。研究结果可以为复合材料层压板挖补修理设计提供参考。     

复合材料飞机动力学建模研究

在进行复合材料飞机气动弹性、动响应等分析时,需要进行飞机结构动力学建模.为此,基于经典层合板理论进行了复合材料刚度的等效计算,结合结构力学闭剖面理论分析了飞机剖面的弯曲、扭转刚度特性,并根据刚度分布建立了全复合材料飞机的动力学单梁模型.与地面共振试验结果的对比表明,复合材料飞机动力学单梁模型是有效的,且相对板壳模型更接近试验结果.建模方法对复合材料飞机结构设计具有指导意义.     

基于细观刚度模型的缠绕复合材料结构有限元分析方法

 缠绕复合材料结构分析是缠绕复合材料力学性能研究及应用的重要基础。发展了一种缠绕复合材料结构分析有限元方法,该方法基于缠绕复合材料细观刚度模型,通过建立细观刚度场与整体结构的映射关系,将缠绕复合材料细观刚度模型引入缠绕复合材料结构有限元分析中。采用各向异性单元,几何模型与网格划分等过程不需要进行复杂的处理,单元材料属性采用细观刚度模型计算,并通过已建立的细观刚度场和整体结构的映射关系输入。建立了缠绕复合材料结构有限元分析的流程,采用MATLAB程序编写了细观刚度场计算程序,采用ANSYS提供的APDL语言开发了几何建模、分网、读入刚度矩阵等相应分析程序,最后进行了算例分析。算例结果表明,缠绕复合材料内部各层应力应变呈周期性分布,应力应变在纤维交叉和波动区域有所变化,纤维波动对局部应力具有放大作用;纤维走向的交替造成内部剪切应力的正负交替;纤维弯曲引起的局部刚度下降造成局部的应变较大。与传统的经典层合板理论或有限元方法相比,在缠绕复合材料有限元分析中,采用基于傅里叶级数的细观刚度模型,可以反映材料内部细观结构对应力应变分布的影响;同时,方法简单,便于程序实现。     

飞机复合材料起落架舱门优化设计

蜂窝夹芯复合材料逐渐取代铝合金成为舱门的首选材料,其刚度设计及结构减重在飞机的结构设计中十分重要。通过参数化建模建立了蜂窝夹芯结构复合材料舱门的有限元模型,并进行起落架舱门的模拟计算。在打开和关闭两种工况下以刚度和强度为约束,优化舱门的几何结构和复合材料参数。建立代理模型后采用多岛遗传算法和序列二次规划相结合进行优化,实现了蜂窝夹芯结构复合材料舱门的优化设计。通过优化设计,所得到的舱门比原铝合金舱门具有更高的强度和刚度。优化后复合材料舱门重量比优化前下降了11.5%,比铝合金舱门减少了39.6%,起落架舱门总重量明显降低。同时,建立代理模型后再优化的方法优化效率高,解决了多优化变量下找不到最优解的问题。     

基于HyperSizer的复合材料舱门结构渐进式优化设计

结构重量是飞机复合材料结构设计需要考虑的重要因素和约束条件.针对某大型复合材料舱门设计方案,建立有限元模型,使用Patran/Nastran进行初步分析,再应用HyperSizer开展渐进式优化设计,优选出符合设计要求的方案,并计算构型的截面参数、铺层角度和铺层顺序等设计参数,完成结构建模和渐进式优化分析过程.结果表明:使用HyperSize进行渐进式优化设计,降低了结构的重量,达到了预期目标.     

基于自动丝束铺放技术的复合材料进气道结构设计及试验验证

某型号飞机采用S形进气道,形状复杂,且对刚度、装配、内表面质量及重量要求很高,需要设计一个满足所需的进气道结构.采用复合材料整体成型结构设计,结合自动丝束铺放技术,详细叙述进气道结构设计研制方案及实施方法,并对其进行有限元理论分析及试验验证,结果表明:进气道结构满足强度及刚度要求;自动丝束铺放技术可以有效应用于变截面S形进气道研制.研究结果可对研制其他复杂形状飞机进气道提供依据.     

基于弹簧质量模型的复合材料螺接修理载荷传递计算方法

复合材料螺接修理具有操作简便,对连接件表面处理的要求不高,施工快速、性能可靠等优点,在复合材料的临时修理、尤其是战伤修理中应用较为广泛。然而其修理设计过程较为复杂,难以满足工程快速定参的需要。在螺接接头弹簧质量模型的基础上,针对蒙皮和补片等宽的情况,提出了一种复合材料螺接修理结构载荷传递比例计算方法。通过引入载荷按刚度分配的原则对模型进行修正,将模型进一步推广到蒙皮宽度大于补片宽度的情况。然后讨论了模型中不同弹簧刚度的计算方法。给出了采用细观力学方法以及均匀化方法等计算含损伤蒙皮等效刚度的计算方法,推导得到了规则排列多列螺栓连接中各排螺栓等效刚度的计算方法,并证明该刚度满足叠加原理。最后,以含圆形损伤孔的复合材料蒙皮板的螺接修理问题为例,对模型进行了考核,并与有限元法（FEM）预测结果进行了对比。结果表明：模型预测结果与有限元结果吻合较好,预测误差最大为7.7%。采用该模型可以高效、准确地实现复合材料螺接修理的分析设计。     

大型民机复合材料机翼结构设计与分析

大型客机强调安全性、经济性、舒适性和环保性,这些性能上的高要求决定其对复合材料需求的迫切性和必然性.本文基于CJ828双通道宽体大型民机的设计方案,对全复合材料机翼结构进行了详细的总体设计并完成相应结构分析.根据CJ828飞机机翼的结构特征和飞行受力情况,用工程估算方法估算出机翼主承力结构几何尺寸,然后进行结构尺寸优化.对机翼蒙皮,翼肋复合材料层合板给出具体的铺层设计,建立机翼主承力翼盒有限元模型.基于HYPER-WORKS软件平台完成对机翼的静强度分析,并与金属机翼进行性能对比分析.后续完成机翼结构的固有频率计算,最后完成了机翼结构的模态瞬态响应分析.对实际工程中复合材料机翼结构设计有一定的设计参考价值.     

客机复合材料APU舱门结构设计及分析

按照结构布局、适航要求及APU门载荷水平,对复合材料APU舱门结构进行设计研究.为满足防火要求和闪电防护要求,选择先进碳纤维复合材料和泡沫芯材,设计了一种复合材料夹层结构.利用有限元模型对夹层结构在气动载荷和风载作用下进行应力和位移分析,得到应变云图和变形云图,分析说明该夹层结构设计满足设计要求.通过对B737飞机APU舱门结构研究和重量提取,进行重量等效对比分析,结果表明该复合材料夹层结构比金属结构重量轻25.8％,减重效果明显.     

基于参数化有限元方法的机翼重量预测

为飞机总体设计阶段提供一种快速而较精确的机翼重量预测方法。该方法是将参数化几何建模和参数化有限元建模方法相结合,快速地建立机翼结构有限元模型。通过应用CATIA二次开发技术,实现机翼结构布置模型的自动生成;通过运用PATRAN的PCL语言,实现结构有限元模型的自动生成;通过应用优化方法,确定出结构尺寸,进而计算出机翼重量。算例表明,本方法可快速地分析不同结构布置方案和不同材料方案的机翼重量,适用于飞机总体方案设计阶段机翼重量计算。     

Static aeroelastic analysis including geometric nonlinearities based on reduced order model

This paper describes a method proposed for modeling large deflection of aircraft in non-linear aeroelastic analysis by developing reduced order model (ROM). The method is applied for solving the static aeroelastic and static aeroelastic trim problems of flexible aircraft containing geo-metric nonlinearities; meanwhile, the non-planar effects of aerodynamics and follower force effect have been considered. ROMs are computational inexpensive mathematical representations com-pared to traditional nonlinear finite element method (FEM) especially in aeroelastic solutions. The approach for structure modeling presented here is on the basis of combined modal/finite ele-ment (MFE) method that characterizes the stiffness nonlinearities and we apply that structure mod-eling method as ROM to aeroelastic analysis. Moreover, the non-planar aerodynamic force is computed by the non-planar vortex lattice method (VLM). Structure and aerodynamics can be cou-pled with the surface spline method. The results show that both of the static aeroelastic analysis and trim analysis of aircraft based on structure ROM can achieve a good agreement compared to anal-ysis based on the FEM and experimental result.     

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。     

发动机吊挂与机翼连接接头强度分析与试验

飞机吊挂与机翼连接接头主要用于传递来自动力装置的载荷,是飞机结构强度设计的关键件。为了精确分析吊挂与机翼连接接头强度及应力应变分布规律,设计了一套接头强度静力试验系统,研究了接头强度有限元建模方法。以总体有限元分析得到吊挂与机翼连接接头载荷为基础,建立了接头的细节有限元模型,分析了对接头强度影响较为严重的两种工况。有限元分析结果与试验结果对比,验证了接头强度有限元建模方法合理,对民机发动机吊挂与机翼接头设计具有应用参考价值。     

机身刚度对双体飞机颤振的影响规律分析

针对某双体飞机颤振特性复杂的问题,本文采用片条理论修正后的偶极子网格方法,建立了双体飞机非定常气动力模型,同时基于地面振动试验建立了不同机身刚度双体飞机等效梁模型。通过有限元方法,分析了机身刚度对双体飞机结构动力学的影响,同时通过求解耦合得到的频域方程,探究了机身刚度对双体飞机颤振的影响规律。研究结果表明,机身截面垂向刚度对机身一阶垂直对称弯曲模态、机身一阶垂直反对称弯曲模态与平尾滚转模态频率影响较大。机身截面垂向刚度降低到原设计刚度67%时,机身反对称弯曲模态对平尾扭转效应增强,机身一阶垂直反对称弯曲模态、平尾滚转模态与平尾一阶垂直反对称弯曲模态耦合,双体飞机在269.34 m/s时发生颤振,颤振频率为37.2 Hz。     

基于中点误差的紧固件刚度曲线优化方法

在飞机结构设计中,结构静强度是飞机结构设计成功的基础,在满足性能指标的基础上实现对结构轻量化的优化目标是飞机结构工程师不变的追求。 紧固件作为飞机结构零件之间的机械连接方式,其高载下弹塑性刚度变化的准确表达将影响复杂模型非线性仿真结果的准确性。 以某型飞机机翼盒段为研究对象,利用商用软件 ABAQUS 进行非线性有限元仿真模拟,用 FASTENER 单元对飞机盒段模型中的紧固件进行表达,同时加入紧固件的刚度曲线,并对非线性计算过程当中,由刚度曲线定义的不合理性所导致的迭代收敛性问题进行了研究,得到了基于中点误差的刚度曲线优化方法,并最终完成了复杂的非线性仿真分析。 仿真结果实现了对试验的较好仿真,为实现复杂模型下自动化添加大量非线性紧固件提供了基础。     

基于约束方程建模技术的CCGA封装力学特性仿真

为探讨CCGA高密度封装结构在整机设备中的有限元建模方法,分析CCGA封装在力学激励下的响应,选用了不同的有限元单元对CCGA封装结构进行了建模,采用了约束方程方法处理不同单元所引起的求解自由度不协调问题,根据CCGA封装模型特点编写了约束方程自动建模程序。基于约束方程方法建立的有限元模型,对包含CCGA封装结构的设备整机进行了随机振动激励下的有限元仿真,得到了随机振动激励下封装的响应。通过包含CCGA封装结构的有限元模型建模过程可以看出:自动约束方程建模方法可以有效地处理实体单元与梁单元建模引起的自由度不协调问题,为包含高密度封装的设备整机有限元建模提供了新的思路;CCGA封装结构力学特性仿真结果可以较全面反映封装响应,为CCGA芯片的加固措施提供了根据。     

响应面拟合法在机翼结构优化中的应用研究

在飞机结构优化设计中,针对循环利用有限元软件寻优耗时大、收敛比较慢的状况,本文采用了一种基于响应面多项式拟合方法对机翼结构进行优化。以某平直机翼为例,该方法从建立机翼结构的有限元模型出发,结合正交试验设计方法,经过对比,采用比较新颖的最大差值极小化法,建立机翼的二次响应面近似模型;在此基础上,以整个机翼结构质量最小化为目标,最大位移和最大应力为约束,把机翼划分为多个区域,选取各区域蒙皮厚度和全部肋腹板厚度为设计参数,建立数学优化模型,用ISIGHT集成MATLAB的方法,采用序列二次规划法进行优化。优化的结果表明,采用该方法对该平直机翼进行优化,在满足机翼刚度和强度的情况下,能有效降低机翼质量,并且避免了多次重复调用有限元软件进行计算,迭代次数仅为34次,优化效率明显提高。