| 标题 | 高强度超轻复合材料机翼 |
| 范文 | 摘 要：当今复合材料广泛应用于各行各业，航空领域对复合材料的需求日益旺盛，本文基于第十届 SAMPE 超轻复合材料机翼学生竞赛所要求的的材料和外形尺寸为设计前提，对机翼进行三点弯实验时使机翼在中心对称面处的位移不超过两英寸同时不发生破坏为约束，在最大载荷达到11kN时使机翼的总重量最小为优化目标。通过使用Altair公司的有限元软件——Hyperworks进行仿真模拟分析，使用Hyperworks里的Optistruct求解器对复合材料机翼进行拓扑、自由尺寸、尺寸、顺序等优化设计并结合制造工艺约束，确定出一款性能优越的高强度超轻复合材料机翼方案。并根据该优化出的方案进行试制与试验，根据试制和试验的总结得出改进措施，最后制作出一款高性能的机翼。 关键词：复合材料；机翼；优化设计；Hyperworks；三点弯 1 绪论 随着飞机功能的日益增多和使用环境的恶劣，对飞机结构设计的要求越来越高。复合材料结构设计参数除了传统的几何尺寸外，还包括层合板的铺层顺序、铺层比例与铺层角度等铺层参数，各个参数之间互相耦合，互相影响，还要考虑到制造工艺约束，大大的增加了设计的难度，对结构设计提出了更高的要求，采用传统的设计方法工作量大，内容繁琐而且工作效率低，很难发挥复合材料的潜能。要解决复合材料设计的各种参数问题，必须借助有限元软件方法。在此以SAMPE举办的超轻复合材料机翼竞赛所要求的机翼为研究对象，展开了对复合材料机翼的设计、制造、实验等工作。 2 高强度超轻复合材料机翼仿真设计内容 2.1 确定机翼方案 经过我们的综合考虑之后采用C字梁和O型梁相组合形成工字梁的结构，并且梁缘条进行整体加厚提高强度的结构方案。 2.2 机翼有限元建模分析 在CATIA三维软件中画好机翼的标准外形图，导入到Hypermesh中进行有限元建模分析。Hypermesh里首先要对导入的几何图形进行几何清理，确保几何没有问题，以免后面影响网格的画分。与其他有限元软件一样都要对几何模型进行赋予材料属性，工况设置，分析步、网格画分，后处理等。不同的地方在于Hypermesh中需要用PCOMP/PCOMPG/PCOMPP将复合材料层合板的信息赋予给几何单元。首先利用PCOMPP将铺层信息赋予给机翼有限元网格。载荷设置为机翼中心对称处一英寸宽的所有节点为固定约束，两端与支撑处的接触地方设置受Z轴正向12000N的力，设好工况之后，运行结果表明机翼最大位移50.044小于许可位移50.8mm。同时应用Hill准则计算复合材料没有发生失效，失效指数全部为0，当大于等于1时才失效。 3 制造与试验 泡沫由于其硬度不是太高采用手工打磨的方法，如果用数控加工只能加工一个机翼表面，另一个面不易加工。预浸料铺贴过程中要保证环境无尘，同时没贴几层就需要抽真空，真空抽的好坏对性能影响很大。由于要保证梁的效果，采用二次固化，先固化C字梁和O型梁，之后再整体固化。固化方法采用的是烘箱固化。按照上述方法制造出一个机翼，并对其进行力学实验测试。机翼的最终质量为378g，理论计算是403g，这个差异主要由于在烘箱中固化时会发生溢胶现象造成的。最终在位移达到49mm时承受了12000n的载荷而没有发生破坏，满足要求。 4 总结 通过使用Altair的hypermesh软件对复合材料机翼进行仿真设计，后经过试验验证了该有限元软件结果的可靠性，成功制作出了一款满足要求的机翼。通过本次机翼的设计制造经验可以供其他的复合材料设计人员参考。 参考文献： [1]胡江波，梁宪珠，等.高载荷质量比复合材料机翼模型结构设计与制造研究[J].材料开发与应用，2011，26（3）：7-40. [2]杨乃宾，章怡宁.复合材料飞机结构设计[M].北京：航空工业出版社，2002：70-80. [3]楊伟，常楠，王伟.飞机复合材料翼面结构优化设计理论与应用[M].北京：国防工业出版社. 基金项目：中国民航大学航空工程创新创业实验基地资助，项目编号：IECAUC2017006 作者简介：刘从灵（1995-），男，研究方向：复合材料机翼优化设计。 |
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