十公斤级固定翼无人机全碳纤维机翼设计与应力分析

根据轻型固定翼无人机性能要求,设计了一款最大起飞结构质量为10 kg、质量轻、强度高、刚度高的固定翼无人机全碳纤维机翼;基于气动性能分析和结构几何设计,建立了机翼结构的三维模型;采用"封闭矩形截面缘条"盒式梁结构,增大了机翼的扭转刚度;建立了机翼结构有限元模型,采用最大应力强度准则,对机翼结构的强度、刚度、稳定性进行了校核。对蒙皮碳纤维铺层结构进行了优化。结果表明,结构应力集中区域位于翼梁根部螺栓孔区域,该区域应力水平决定了结构的初始强度;机翼大梁上缘条根部和附近的蒙皮易发生屈曲;优化后蒙皮减重121.6 g,占机翼初始结构质量的11.94%。     

基于等效理论的蜂窝夹层板强度等效分析

通过采用三明治夹芯板等效方法计算,得到了等效物理参数,建立了三明治夹芯蜂窝板的有限元模型,完成了蜂窝夹层板模型的静力分析和随机振动分析,并对试验样机进行了静力与随机振动分析和试验验证。结果表明:基于三明治夹芯板等效理论建立的有限元模型能够准确反映蜂窝夹层板的静强度特性和结构动特性,静力应变值结果误差小于4%,振动固有频率结果误差小于5%,偏差较小,表明所建模型合理、准确。     

典型复合材料襟翼结构强度设计

提出了典型复合材料襟翼结构设计方案,包括结构形式及铺层设计。在此基础上,采用MSC.PATRAN建立复合材料襟翼有限元模型,利用MSC.NASTRAN进行有限元分析,给出了主要构件的强度计算结果,证明该设计方案合理可行,并满足减重设计要求。     

轻型复合材料机翼铺层优化设计与分析

在给定全复合材料机翼结构几何外形尺寸条件下,以最高载荷/质量比(P/W)为目标,提出了一种复合材料机翼铺层优化设计与分析方法。主要进行了三方面优化工作:铺层厚度优化、铺层比例优化以及铺层顺序优化。首先,在初始结构方案的基础上,利用有限元分析软件ANSYS对复合材料层合板进行结构优化,得到了复合材料层合板铺层厚度与铺层比例。然后,插值拟合生成结构性能(即P/W)在设计区域的空间分布曲面,量化材料分布对结构性能的影响,得到了最佳材料分配比例,为分析复合材料铺层提供了新方法。最后,根据已经得到的铺层厚度和铺层比例方案,运用遗传算法对铺层顺序进行优化,得到最优铺层方案。根据最终优化的铺层设计方案,加工制造机翼样件并完成了试验验证。数值模拟结果与试验结果非常吻合,其中,破坏载荷的相对误差为-1.91%,结构刚度的相对误差为1.10%。与初始设计相比,载荷/质量比提高了70.23%(忽略翼梢小翼),证明本文优化工作的合理性与有效性。     

后缘襟翼型智能旋翼驱动力臂的设计方法

为使后缘襟翼型智能旋翼达到最佳的减振效果,本文建立了两种模型方法对智能旋翼驱动机构的关键设计参数——驱动力臂进行了探讨。一方面基于CFD、CAMRADⅡ和ABAQUS联合仿真的方法,建立了机电耦合多体系统有限元模型;另一方面基于襟翼变形前后的几何关系分析,建立了更为简化的几何模型。最后通过对智能旋翼桨叶的驱动性能静态试验来验证模型。测试结果表明,有限元仿真结果与试验结果一致,几何模型与有限元模型得到的襟翼最大偏角的误差不超过6%。因此,本文所建立的有限元模型分析法和几何模型分析法可以为后缘襟翼型智能旋翼结构详细设计和初步设计中驱动力臂的参数选择提供有效参考。     

某型民用运输机主起落架连接区结构静力试验

飞机静力试验是飞机试验的重要内容之一,是验证飞机结构强度和静力分析正确性的重要手段。为验证某型民用运输机主起落架连接区结构满足静强度要求,以及有限元计算分析的正确性,在静力试验飞机上进行了主起落架连接区结构静力试验。通过全机有限元模型和细节有限元模型分析计算,进行加载、应力\应变、位移试验数据与有限元计算值的分析对比,计算值与试验数据符合较好。     

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。     

含中心圆孔复合材料层合板失效分析及强度预测研究

对复合材料结构进行开孔将会导致结构强度显著下降。以含中心圆孔的复合材料层合板为研究对象,根据ASTM D 5766标准对三种不同铺层比例的含中心圆孔复合材料层合板进行拉伸试验,研究不同铺层比例对复合材料开孔拉伸试验件的拉伸性能和失效模式的影响。基于连续介质损伤力学,分别采用最大应变失效准则和基于物理失效机制的三维非线性Puck失效准则预测纤维和基体损伤的起始,通过应变表征损伤演化,建立含中心圆孔复合材料层合板的三维有限元模型;并进行数值分析,通过与试验结果对比,表明该模型能有效预测含中心圆孔复合材料层合板的拉伸强度和损伤扩展过程。     

复合材料无矩叠层板铺层优化设计——按静力破坏条件

 飞机翼面结构受力盒段的上下壁板若采用纤维增强复合材料叠层板则经常可简化为无矩叠层板;本文介绍这种叠层板按静力破坏条件的一种铺层优化设计方法。本法所用的数学工具为拉格朗日乘子法,采用的静力破坏条件为Hill-Tsai判据或Norris判据。对于铺层优化设计要用的公式进行了推导并且为了便于应用电子计算机对所得的公式进行了相应的改造。 关于叠层板极限强度的确定,文中也作了较仔细的探讨。为了具体说明本法的解题步骤以及如何选出铺层设计的优化方案举出了一个数例。文章的最后对几个技术问题进行了简要的讨论。 在结构打样设计阶段,对于翼面结构中处于拉伸或压缩受载（在不发生屈曲失稳破坏的条件下）情况下的复合材料壁板,本法可作为其铺层优化设计的一种工程方法。     

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。     

复合材料机身壁板的强度分析与试验验证

复合材料在大型客机机身主承力结构应用是近年来的发展趋势，通过分析与大型壁板试验结合的方式研究了复合材料机身壁板的静力承载能力，以及疲劳与损伤容限特性。采用理论公式、半经验公式、有限元模态分析研究了蒙皮的屈曲载荷、壁板的承载能力。依靠创新的机身壁板多轴载荷试验系统，模拟机身壁板的实际受载情况，实现充压载荷、拉伸/压缩、剪切载荷的独立施加与组合施加。通过静力试验验证蒙皮屈曲的工程及有限元分析方法和壁板的剩余强度承载分析方法。引入预埋缺陷、BVID、VID冲击损伤，通过试验研究了损伤对应变分布的影响，并通过疲劳、损伤容限试验，验证了壁板的设计以及损伤的无扩展特性。     

轻质量低成本无人机舵面结构优化与验证

复合材料蜂窝夹芯结构因其高比强度、比模量及可设计性而广泛应用于航空飞行器结构。文章提出了 1种轻质量、低成本舵面结构方案——通过增大蜂窝芯密度使其剪切模量提高,进而降低复合材料面板应力水平,减小面板厚度。首先,根据理论选择通过增大蜂窝密度提升蜂窝剪切模量;然后,对结构进行有限元计算与分析,发现蒙皮应力水平随蜂窝芯剪切模量增大而显著降低;最后,设计不同蜂窝芯密度的蜂窝夹芯结构进行试验。试验结果证明,蜂窝芯越致密,其典型力学性能越高,冲击后的剩余强度也越高。     

航空电子设备安装支架的刚度与频率优化设计

航空电子设备用于飞行中的数据采集,通常使用安装支架固定于机头雷达罩,研究安装支架的刚度和一阶频率性能,避免设备支架在飞行过程中出现塑性变形和共振现象,对提高飞行稳定性具有重要的工程意义。在惯性载荷下对安装支架进行静强度和模态分析,采用一种灵敏度分析方法确定安装支架的设计变量,以结构总质量最小为优化目标,在保证安装支架的刚度和一阶模态性能的前提下对支架各个构件的厚度进行优化设计,并对优化后的安装支架结构进行振动试验。结果表明：优化后的安装支架结构刚度基本保持不变,一阶频率提高了18.09%,质量减少了19.33%,改进设计满足设备安装要求。     

全复合材料主承力梁结构研制与分析验证

根据结构特点和受力特性,研制了一种全复合材料主承力梁结构。给出了主梁的铺层设计,详述了其成形工艺。基于MSC.Patran/Nastran建立了主梁有限元分析模型,采用线性求解器对多级载荷作用下的主梁进行了静强度分析,给出了结构应变与位移结果。同时设计了强度试验方案,对主梁结构进行了静强度试验验证,采集了应变与位移信息,确定了结构的响应。结果表明,全复合材料主承力梁结构满足强度设计要求,为复合材料应用于主承力结构提供了依据。     

高空台动静架连接新型篦齿密封结构封严特性研究

针对高空模拟试车台动静架连接处气体泄漏问题,开展基于中段进气的新型篦齿密封结构优化设计与封严特性的数值模拟与试验研究。设计了新型篦齿密封结构,选取篦齿齿尖厚、齿根厚及后倾角为参数变量,泄漏量为优化目标函数,根据Box-Behnken方法设计的样本点和数值计算结果建立二阶响应面模型,开展新型篦齿密封结构泄露特性数值模拟与优化研究,并通过实验进行验证。研究表明,实验结果与有限元计算结果误差不超过10％,验证了数值模型的准确性;通过优化设计与分析,新型篦齿连接结构泄漏量降低12.5％,使得该结构更容易实现最优的封严效果。新型篦齿密封结构封严特性较初始结构提高99.2％,消除了由连接处泄漏带来的附加阻力695.2N。本研究对改进现有高空台动静架连接篦齿密封结构,提升其试验台推力测量的准确性具有重要作用。     

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，二次胶接成形的机翼受力盒段具有轻质化、低成本的优点。     

基于强度约束的复合材料机翼翼盒设计优化

提出了一个大型飞机复合材料机翼受强度约束条件下的优化问题,基于机翼结构的初步设计进行了设计优化。通过OptiStruct商业软件来完成优化过程,OptiStruct是一个效率高、精确独立的有限元求解器,目前也被广泛应用于航空航天工业中。根据设计目标,优化过程中将机翼上下蒙皮复合材料的层压厚度作为设计变量,优化后的结构重量减少了25.07%。在实际生产限制条件下,为了使设计结果趋于保守,对优化后的层板厚度进行了调整,适当增加了厚度,导致结构重量略有增加,但是最终的重量减少仍然超过20%,证明该方法在实现复合材料机翼结构的轻量化设计中具有实用性,可在机翼设计阶段的静强度评估中进行应用。