面向增材制造的飞行器结构优化设计关键问题

围绕飞行器复杂结构整体构型研制的高性能、轻量化苛刻需求,着重介绍了面向增材制造的结构优化设计面临的系列关键问题以及相关研究成果。分别从面向增材制造的结构多承载环节整体优化建模与性能分析、整体结构多学科性能与功能综合设计方法、跨尺度结构-微结构性能表征与尺度效应的影响机理,以及增材制造工艺对整体结构件性能的影响机理和制造工艺约束4个方面,阐述如何从结构力学与工艺力学角度科学实现最优性能设计与先进增材制造技术的完美匹配与融合。     

复合材料加筋壁板制造成本的快速估算模型

为了能够在设计阶段早期对复合材料加筋壁板制造成本进行快速估算,提出了一种以结构设计重量为主要驱动因素的制造成本估算模型。该模型的关键是考虑了诸如材料成本比重系数、制造工艺系数、蒙皮形状系数、筋条形状系数、材料利用率系数等合理取值。以某验证试验的试验件制造成本估算为例,估算成本与实际制造成本的偏差为10.8%,说明了采用该方法对复合材料加筋壁板制造成本进行快速估算的结果是可以为设计人员提供决策依据的。     

飞机结构件反拉式工装研究应用

鉴于国内航空产业迅猛发展前景,不断研究飞机结构件的高效加工工艺方法是提升企业竞争力的重要手段之一。针对预拉伸板类典型飞机结构件加工,提出了基于嵌入式和单元式的反拉工装设计方案,总结了此类方案的高效工艺方案,并对典型零件进行了加工验证,试验结果显示:反拉类通用工装在工装管理、装夹效率等方面都体现出了一定的优势,在航空结构件的加工中具有非常好的推广应用价值。     

一种基于方钢管骨架的壁板成型模具

针对大型飞机机身复合材料壁板试验件,从模具的刚度要求、使用要求、成本要求等方面确定了模具设计边界条件;为了满足模具设计的边界条件要求,提出了一种基于方钢管骨架的壁板成型模具。在进行模具设计时,首先对比各种常用模具材料的优缺点并最终确定模具采用“INVAR”钢材料;然后介绍了模具的结构布局和结构尺寸参数,并通过有限元模拟的方法,对模具的整体刚度和起吊工况的强度进行了模拟计算。计算结果表明模具的整体刚度较好,能够满足设计要求。从模具整体刚度和模具重量两方面与框架式隔板模具对比,方钢管骨架的壁板成型模具具有更大的优势。     

集成管理系统在飞机装配柔性工装上的应用

采用柔性工装对飞机零组件进行装配,会产生巨大的信息量,为提高飞机装配过程的信息管理的质量与效率,目前采用集成管理系统对飞机装配柔性工装进行控制与管理,来实现飞机装配过程的集成化。对集成管理系统在飞机装配柔性工装上的应用进行研究,首先对集成管理系统的构架、数据格式以及通信接口等进行概述;之后对柔性工装的数据传输与调形驱动过程进行分析,对飞机柔性装配技术体系进行总结;最后对集成管理系统在柔性工装上的应用现状进行研究。研究表明,集成管理系统可以提高柔性工装的装配效率与信息管理质量。     

轻质复合材料发射箱盖结构设计与参数优化

 针对国内现阶段复合材料发射箱盖研制领域中所存在的一些缺陷,通过设计一种方形轻质复合材料发射箱盖结构提出解决方案。首先提出了结构中薄弱区与抛出部分的初步设计方案;然后对导弹发射时燃气流冲击箱盖过程进行了瞬态数值模拟,并根据数值模拟结果对箱盖结构参数进行了优化;最后针对优化结构冲破过程进行了数值模拟,结果表明,按优化后方案设计的箱盖结构既能实现结构的轻质化,又能在开盖过程中保证较好的冲破性能。     

民用飞机复合材料层压板铺层设计方法研究

在民用飞机复合材料应用中,关键技术领域包括选材、结构设计、强度分析、制件成型及装配工艺、结构修理、适航等。针对民用飞机复合材料层压板铺层设计方法展开研究,在结构初步设计阶段运用工程方法完成结构铺层设计和尺寸设计。     

2m超声速风洞结构设计与研究

 2 m超声速风洞是一座下吹-引射式暂冲型超声速风洞,采用全钢结构。针对该风洞具有结构尺寸大、运行工况多、流场品质要求高、试验段和模型更换快捷以及采用全挠性喷管实现宽马赫数范围调节等特点进行了风洞总体和主要部段结构设计与研究。在风洞设计中利用试验方法以及丰富的风洞设计经验对洞体结构设计中的重点、难点问题进行了研究,广泛使用有限元分析方法进行理论计算,采用新颖的刚性烧结金属丝网材料进行消声降噪处理,并用挠性喷管和试验段一体化设计技术排除了挠性喷管与试验段间阶差对流场品质的影响,运用气垫运输技术使试验段和模型更换快捷、稳定。通过水压试验、振动检测、风洞静调和流场校测等方法验证风洞的结构设计是合理的,设计中新材料、新技术的应用是成功的。     

一种卫星推进分系统复合材料氦气瓶的结构设计方法

为了提高航天复合材料压力容器的性能因子,根据复合材料压力容器网络理论方法提出了“参数对应关系”结构设计方法,对一种卫星推进分系统复合材料氦气瓶进行了结构设计,确定了纤维复合层承载压力,得到了不同内衬壁厚情况下气瓶纤维预紧应力与内衬压缩应力、内衬工作应力、纤维工作应力的对应关系,获得了内衬最小壁厚和纤维预紧应力区间等参数,用有限元法对气瓶结构设计进行静力学分析校核,所设计气瓶完成了全部的鉴定试验,气瓶性能因子37km,爆破压力70MPa,纤维预紧应力区间为[120MPa,270MPa].设计和验证结果表明:基于网络理论的“参数对应关系”结构设计方法可用于弹性工作金属内衬复合气瓶的研制,内衬最小壁厚的精确求解对提高复合材料气瓶性能因子是有效的.     

2/3层板结构空心风扇叶片设计与对比分析

针对空心结构风扇叶片设计技术在航空发动机上的应用,分析了2/3层板空心叶片结构特点,提出了1种基于气动数据源的空心叶片结构设计方法,并以某风扇叶片为例开展了2种结构空心叶片设计,有限元对比分析结果表明:2种结构空心叶片在静强度、振动特性方面各有优势,但2层板结构空心叶片可设计性更优,应用前景更好.