高強度超輕復(fù)合材料機翼

摘 要：當今復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，航空領(lǐng)域?qū)?fù)合材料的需求日益旺盛，本文基于第十屆 SAMPE 超輕復(fù)合材料機翼學(xué)生競賽所要求的的材料和外形尺寸為設(shè)計前提，對機翼進行三點彎實驗時使機翼在中心對稱面處的位移不超過兩英寸同時不發(fā)生破壞為約束，在最大載荷達到11kN時使機翼的總重量最小為優(yōu)化目標。通過使用Altair公司的有限元軟件——Hyperworks進行仿真模擬分析，使用Hyperworks里的Optistruct求解器對復(fù)合材料機翼進行拓撲、自由尺寸、尺寸、順序等優(yōu)化設(shè)計并結(jié)合制造工藝約束，確定出一款性能優(yōu)越的高強度超輕復(fù)合材料機翼方案。并根據(jù)該優(yōu)化出的方案進行試制與試驗，根據(jù)試制和試驗的總結(jié)得出改進措施，最后制作出一款高性能的機翼。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；機翼；優(yōu)化設(shè)計；Hyperworks；三點彎

1 緒論

隨著飛機功能的日益增多和使用環(huán)境的惡劣，對飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求越來越高。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)除了傳統(tǒng)的幾何尺寸外，還包括層合板的鋪層順序、鋪層比例與鋪層角度等鋪層參數(shù)，各個參數(shù)之間互相耦合，互相影響，還要考慮到制造工藝約束，大大的增加了設(shè)計的難度，對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求，采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法工作量大，內(nèi)容繁瑣而且工作效率低，很難發(fā)揮復(fù)合材料的潛能。要解決復(fù)合材料設(shè)計的各種參數(shù)問題，必須借助有限元軟件方法。在此以SAMPE舉辦的超輕復(fù)合材料機翼競賽所要求的機翼為研究對象，展開了對復(fù)合材料機翼的設(shè)計、制造、實驗等工作。

2 高強度超輕復(fù)合材料機翼仿真設(shè)計內(nèi)容

2.1 確定機翼方案

經(jīng)過我們的綜合考慮之后采用C字梁和O型梁相組合形成工字梁的結(jié)構(gòu)，并且梁緣條進行整體加厚提高強度的結(jié)構(gòu)方案。

2.2 機翼有限元建模分析

在CATIA三維軟件中畫好機翼的標準外形圖，導(dǎo)入到Hypermesh中進行有限元建模分析。Hypermesh里首先要對導(dǎo)入的幾何圖形進行幾何清理，確保幾何沒有問題，以免后面影響網(wǎng)格的畫分。與其他有限元軟件一樣都要對幾何模型進行賦予材料屬性，工況設(shè)置，分析步、網(wǎng)格畫分，后處理等。不同的地方在于Hypermesh中需要用PCOMP/PCOMPG/PCOMPP將復(fù)合材料層合板的信息賦予給幾何單元。首先利用PCOMPP將鋪層信息賦予給機翼有限元網(wǎng)格。載荷設(shè)置為機翼中心對稱處一英寸寬的所有節(jié)點為固定約束，兩端與支撐處的接觸地方設(shè)置受Z軸正向12000N的力，設(shè)好工況之后，運行結(jié)果表明機翼最大位移50.044小于許可位移50.8mm。同時應(yīng)用Hill準則計算復(fù)合材料沒有發(fā)生失效，失效指數(shù)全部為0，當大于等于1時才失效。

3 制造與試驗

泡沫由于其硬度不是太高采用手工打磨的方法，如果用數(shù)控加工只能加工一個機翼表面，另一個面不易加工。預(yù)浸料鋪貼過程中要保證環(huán)境無塵，同時沒貼幾層就需要抽真空，真空抽的好壞對性能影響很大。由于要保證梁的效果，采用二次固化，先固化C字梁和O型梁，之后再整體固化。固化方法采用的是烘箱固化。按照上述方法制造出一個機翼，并對其進行力學(xué)實驗測試。機翼的最終質(zhì)量為378g，理論計算是403g，這個差異主要由于在烘箱中固化時會發(fā)生溢膠現(xiàn)象造成的。最終在位移達到49mm時承受了12000n的載荷而沒有發(fā)生破壞，滿足要求。

4 總結(jié)

通過使用Altair的hypermesh軟件對復(fù)合材料機翼進行仿真設(shè)計，后經(jīng)過試驗驗證了該有限元軟件結(jié)果的可靠性，成功制作出了一款滿足要求的機翼。通過本次機翼的設(shè)計制造經(jīng)驗可以供其他的復(fù)合材料設(shè)計人員參考。

參考文獻：

[1]胡江波，梁憲珠，等.高載荷質(zhì)量比復(fù)合材料機翼模型結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造研究[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2011，26（3）：7-40.

[2]楊乃賓，章怡寧.復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002：70-80.

[3]楊偉，常楠，王偉.飛機復(fù)合材料翼面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社.

基金項目：中國民航大學(xué)航空工程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗基地資助，項目編號：IECAUC2017006

作者簡介：劉從靈（1995-），男，研究方向：復(fù)合材料機翼優(yōu)化設(shè)計。