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。     

基于MDNastran的多工况复合材料T尾优化研究

T尾是典型的民用飞机或运输机气动布局形式之一,寻求满足刚度、强度、稳定性约束条件下的结构轻重量是结构方案设计阶段的主要工作任务。利用复合材料弹性优化剪裁技术,运用Nastran软件系统,在细致建立有限元数值分析模型基础上,将梁和杆面积、板壳厚度以及复合材料铺层厚度作为优化变量,进行了结构优化,结果表明：结构各部件重量有所降低。为了考察给定的典型复合材料铺层角布置的合理性,引入复合材料的单元材料方向作为优化变量进行再次优化。优化结果表明：虽然增加材料方向作为优化变量能够使结构重量较初次优化有所降低,但是考虑到制造工艺要求,典型复合材料铺层布置也是合理的。     

基于遗传算法的大展弦比复合材料机翼结构优化设计

结构减重是飞机设计的一个重要目标,采用复合材料代替金属材料以及对结构进行优化设计可以达到减重的效果。针对一个大展弦比复合材料机翼,采用遗传算法,通过Matlab调用Patran进行建模分析,以结构强度、刚度为约束条件,同时对翼梁位置和复合材料铺层进行优化设计;根据实际工艺要求建立复合材料铺层库,以解决复合材料铺层变量过多的问题。结果表明:本文提出的优化方法有效,对工程设计有较大的指导意义;复合材料铺层库在其他涉及复合材料铺层优化的问题中也具有广泛的应用前景。     

复合材料风扇叶片铺层设计方法研究

为了设计航空发动机复合材料风扇叶片,根据相关准则,系统建立了复合材料风扇叶片的铺层结构设计流程,针对某自行设计的风扇叶片,完成了叶片的几何模型检测、体积填充铺层设计、铺层纤维方向的确定、铺层的分组与顺序调整,以及铺层的结构检查与可制造性检查。对铺层顺序调整前后沿叶高及弦长方向的铺层过渡进行了对比分析,完成了铺层的可制造性检查与改进。结果表明:铺层结构满足现有复合材料铺层设计准则要求,铺层的递减过渡合理,可制造性良好。     

考虑层间应力的厚复合材料结构多级优化设计方法

充分发挥复合材料的利用率,降低结构重量,厚复合材料结构优化设计是非常重要的。然而优化设计空间复杂,层间应力问题突出,离散设计变量等问题使得厚复合材料结构的优化变得十分困难。针对由铺层相同的子层板叠成的厚复合材料层合板结构的复杂优化问题,本文提出一种多级优化设计方法。第一级优化采用基于径向基神经网络代理模型的优化设计方法,设计变量为子层内层数及铺层比例;第二级优化分为两个层次进行,系统层以结构重量最轻为目标,设计变量为子层数,子系统层采用遗传算法优化铺层顺序,以层间应力因子最小为目标。结合算例,通过Matlab编写遗传算法,并应用Isight集成Matlab来实现该优化设计方法。结果表明:本文提出的多级优化设计方法是有效的,能够很好地实现具有周期性铺层方式的厚复合材料层合板结构的优化设计。     

基于屈曲稳定性的复合材料铺层库优化设计

为了得到能便于复合材料结构优化设计同时满足制造约束的复合材料层压板铺层库，本文提出一种基于屈曲稳定性的复合材料层压板铺层库设计方法。首先，独立设计铺层角度数量表，便于多种铺层比例的快速移植和交叉融合；其次，以四进制方式对铺层顺序编码，遍寻满足约束要求的铺层顺序，确定核心铺层组范围，设计稳定性综合评价指标，优化核心铺层组铺层顺序，基于核心层组边界向上和向下逐层扩展，合并得到整个设计空间的复合材料层压板铺层库；最后，分析层压板折算刚度系数推导结果，给出铺层库均匀性调整方法。与手动调试铺层库相比，通过本文方法设计的铺层库临界失稳应力普遍提高10%以上，均匀性调整后的临界失稳应力依然提高5%以上。     

工程化复合材料结构优化设计方法

复合材料结构的可设计性带来大量设计变量,单靠传统方法难以实现结构优化,复合材料结构优化的铺层优化设计也是关键问题之一。从工程实际出发,探讨具有工程操作性的复合材料结构优化设计方法,形成 从结构布置优化到初始尺寸优化,再到详细铺层优化的三级优化设计方法,并在设计过程中加入符合复合材料 工艺要求的制造性约束;以某飞机复合材料垂尾翼盒结构设计为例,采用该方法对其进行优化设计。结果表明:本文提出的三级优化设计方法是适用于航空复合材料结构优化设计的一种通用方法,可降低结构质量、缩短研制周期。     

预浸带法及湿层法在复合材料维修上的对比研究

介绍了民用飞机上复合材料维修所采用的两种铺层法的性能对比研究。     

基于Abaqus和modeFRONTIER的复合材料结构优化设计方法

复合材料结构优化设计包括几何尺寸、铺层层数和铺层顺序的优化设计,通常采用多级优化技术,将几何尺寸、铺层层数和铺层顺序逐级进行优化。本文使用一个十进制数字表示一个复合材料层合板的铺层顺序,作为铺层顺序的设计变量。将有限元软件Abaqus与优化软件modeFRONTIER集成,采用Python语言编写的铺层顺序的算法,对复合材料结构的几何尺寸、铺层层数和铺层顺序进行同步优化。     

基于遗传算法的复合材料泡沫夹层板铺层优化设计

机翼中泡沫夹芯结构的使用可以有效降低结构元件的重量,因此对复合材料泡沫夹层板的优化设计研究显得十分重要。基于遗传算法设计可以同时进行铺层角度和铺层厚度的优化算法,在该优化算法中采用分区优化技术及浮点数编码对铺层角度和铺层厚度设计变量进行设计。使用上述优化方法对复合材料机翼盒段泡沫夹芯蒙皮进行铺层优化设计,优化后的翼盒重量比优化前降低了38．2％。优化结果表明对复合材料机翼盒段夹芯蒙皮的优化设计可以有效地降低重量,为泡沫夹芯结构的使用提供一定的参考。     

复合材料结构的适航符合性分析研究

针对复合材料应用于大型民用飞机主结构件,从材料、工艺、设计、分析、制造、验证与维护修理等方面要求进行分析研究,给出了复合材料结构的适航符合性验证思路和试验规划的建议,为民机机体采用复合材料结构件提供技术支持。     

民用飞机短舱复合材料结构雷电直接效应试验验证方法及漆层厚度影响研究

随着飞机设计的发展，复合材料广泛应用于民用飞机短舱结构。由于碳纤维复合材料结构的导电性以及抗雷电损伤能力比铝合金结构差，复合材料短舱结构雷电防护能力已成为影响飞机飞行安全的一项关键问题。依据相关适航条款和相应的国际标准，阐述了民用飞机短舱复合材料雷电防护试验验证方法，并依据验证方法对漆层厚度的损伤影响进行了试验研究。短舱常规蒙皮构型的复合材料试验件，在不同漆层厚度下的雷电防护试验结果表明，漆层较薄时，漆层对短舱复合材料的雷电直接效应防护能力无明显的影响；当漆层厚度达到一定厚度时，较厚的漆层将显著降低短舱复合材料的雷电直接效应防护能力，最严重时将造成复合材料蒙皮的击穿，损伤蒙皮内部系统设备，从而危害飞行安全。试验结果与理论的机理分析具有良好的一致性，对民用飞机短舱复合材料结构的雷电防护设计提供了指导方向和参考意义。     

翼身融合布局民机非圆截面机身结构设计研究综述

翼身融合布局飞机具有大升阻比、低阻力、低噪声等优点，是未来民机最具潜力的发展方向之一；但由于特殊布局所采用的非圆截面增压机身，给翼身融合布局民机结构设计带来了巨大挑战。为了降低非圆截面机身承受增压载荷时产生的高弯曲应力、提高机身结构稳定性及承载效率，翼身融合民机机身结构设计先后经历了圆柱组合式多舱室机身、双蒙皮多舱室机身、带加强支撑的盒式机身、基于拉挤杆缝合高效一体化结构（Pultruded Rod Stitched Efficient Unitized Structure，PRSEUS）的盒式中央机体等发展阶段，其中最具承载优势和可实现性的是由美国国家航空航天局NASA和波音公司共同提出的基于PRSEUS盒式中央机体结构设计方案。PRSEUS结构不仅充分利用了复合材料一体化缝合、整体共固化、低成本等制造优势，而且具有抗拉伸/压缩、多路径止损/止裂、刚度和稳定性裕度大、承载效率高、易金属修补等优异的力学特性，已被拓展应用到了翼身融合民机机翼等结构设计中。本文以非圆截面机身结构设计为重点，回顾了翼身融合民机结构设计发展历程；从整机身结构、关键部件结构、整机优化设计等方面详细阐述了翼身融合民机结构设计的研究进展与发展现状，基于国外相关技术研究发展趋势，提出了中国翼身融合民机机身结构设计研究未来需要重点关注的方向。     

Composite materials for primary aircraft structures: from development phase to high volume production rate

From 1980’s decade, the introduction of carbon composite materials in structural applications has been consistently increased in the successive generations of civil aircraft from Single Aisle to Middle-long Range to achieve a culminant point with more than 50% in structure weight in recent commercial civil aircraft. This evolution, done through successive iterations, has been possible by combining in the same time the improvement of intrinsic composite material performances and its transformation into prepreg production technologies together with the development of new manufacturing process for material lay-up automation at composite shop-floor manufacturer of aircraft composite parts. New challenges are still coming to continuously develop materials and technologies in order to pursue the production more cost-effective composite parts. Associated to higher aircraft production rate for single aisle, new challenges may force material and aircraft designers and producers to furthermore drive new products and processes introduction and new ways of transformation within in next decade of composite aircraft designs. We propose to illustrate these trends using past and recent developments and our return of experience from Hexcel on Civil Aircraft programs.     

3D打印夹芯复合材料模拟冰型设计与分析

适航取证是所有民用飞机走向市场投入使用的必经环节。根据适航条例,测试机完成模拟冰型试飞是必须进行的Ⅰ类风险试飞课目,以考察飞机综合的气动以及操作稳定性能。由于真实结冰飞行测试难度大风险高,因此开展模拟冰型的研究设计格外重要。以某民用飞机机翼自然结冰过程为研究对象,首先,确定研究飞机的临界冰型,设计模拟冰型结构以及采用3D打印夹芯材料制作复合材料模拟冰型;其次,通过CFD仿真得到带冰模型在极端工况下所承受的气动载荷,利用有限元分析得到模拟冰型的破坏强度以及破坏形式;最后,通过静力试验验证仿真结果的有效性,继而验证3D打印夹芯复合材料模拟冰型设计方案的可行性。     

民用飞机结构非计划直接维修成本预计研究

民用飞机结构非计划直接维修成本在设计阶段难以预计。介绍DMC构成要素及影响因素,建立DMC预计流程、预计模型及预计调整模型;以前中机身上蒙皮壁板为例,基于工程设计输入及统计报告,计算来自MSG-3,DTA,DSEA的非计划维修任务DMC数值,对比并分析金属及复合材料非计划DMC预计结果。结果表明:该预计方法可行,反映预计模型准确性,金属结构环境退化及疲劳损伤是影响该结构DMC的主要因素,复合材料的使用可显著降低飞机结构非计划DMC。     

民机复合材料油箱维护口盖研究

复合材料作为一种优良的航空材料,具有比强度高、比刚度大,材料力学性能可设计等优点。复合材料油箱结构因制造性和维护性要求需要开维护孔,需要安装合适的油箱口盖结构。通过中央翼复合材料油箱口盖设计并开展制造工艺研究,对民用飞机复合材料油箱口盖结构设计提供技术支持。     

一种民用飞机结构建模方法研究与应用

民用飞机结构设计过程中,结构建模占用了设计人员大量的时间与精力,如何快速完成结构建模是提升结构设计效率的关键之一,基于CATIA 二次开发技术,提出一种民用飞机结构快速建模方法。在分析总结常用民用飞机结构数模的基础上,将常用零件模型分解为典型加工特征的组合;针对每个特征,创建为CATIA知识模板,并集成为结构特征模板库;同时,采用CAA 二次开发技术,设计可视化操作界面用于特征模板库调用;通过模拟减材加工过程逐个调用加工特征模板,完成结构模型创建;以下陷特征为例,对比分析传统布尔操作建模方法与本文建模方法的建模效率与质量。结果表明：该建模方法能够显著提高结构建模效率和质量。