某型太阳能无人机复合材料夹芯翼梁优化设计

发布时间：2020-05-14 04:47

【摘要】：本文研究的内容是太阳能无人机复合材料夹芯翼梁的优化问题。太阳能无人机由于其动力来源独特,必须通过减轻结构重量的手段来满足自身长航时飞行需求。先进碳纤维复合材料凭借其高比强度、比模量的优异性能在航空结构中大量应用,为改善太阳能无人机的总体效率带来了更多选择。翼梁作为机翼的主承力构件关乎到整个无人机的承载能力,因此开展复合材料翼梁优化研究工作的重要性不言而喻。本文以太阳能无人机复合材料翼梁为研究对象,首先,明确机翼轻量化作为优化设计的主要目标,考虑到复合材料优化设计的复杂性,借鉴常用的几种复合材料等效理论方法,通过设计试验验证,其中采用三明治夹芯板理论综合效果最优。其次,以太阳能无人机机翼翼梁设计需求为基础,综合考虑众多因素进行合理的配置机翼有限元模型,分析无人机外载荷对机翼结构的影响,采用涡格法计算机翼气动载荷,并通过多点排等效方法实现载荷从气动场到结构场的转换;运用有限元软件对管梁、箱型梁、工字梁三种翼梁进行力学分析,获得了三种翼梁的综合力学性能。另外,在此基础上基于多岛遗传算法构建以机翼结构重量为目标函数的优化模型,开展了复合材料机翼翼梁铺层尺寸的优化工作,借助强大的优化平台Isight协同有限元软件实现对翼梁的联合仿真分析,结果表明:管梁、箱型梁和工字梁机翼结构重量依次减轻了 9.4%、5.1%、6.2%,提高了复合材料的利用率。最后,以机翼的变形量为优化目标,对箱型梁的截面高度和宽度合理分配,得到了箱型梁机翼的最大变形减少到127.3mm;优化完成后制备该型复合材料箱型翼梁样件,设计三点弯曲测试和悬臂梁弯曲测试验证了样件的强度和变形能力,结果表明通过优化得到的箱型翼梁满足设计要求,为后续对太阳能无人机复合材料机翼的优化研究提供了借鉴和思路。
【图文】：

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的包括 4 个型号，，最初研发的主要目标是执行民事任务，比如在万米高空中监测大气环工作，后续逐渐推广于高空预警等应用。表 1.1 为“太阳神”系列无人机 4 个型号的部分参数。表 1.1 “太阳神”系列无人机 4 个型号的部分性能参数机型展弦比全机翼载荷/kg/m2最大飞行高度/km 单位机翼重量/kgPathfinder 12.3 35.6 21 2.9Pathfinder＋ 15.1 36.2 24 2.84Centurion 24.6 58.2 15 3.6Helios 30.4 49.8 29.5 3.2由于“太阳神”系列无人机均采用飞翼布局形式，其特点是展长和柔度较大、整体结构减轻，在空中飞行时机翼可能发生许用值以内的较大弹性变形。后期型号随着展弦比的，飞行高度也有所提升，曾经在试飞中创造超出 30km 的高度记录。如图 1.1 所示为飞的“Helios”号太阳能无人机和其机翼结构。

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曾经在试飞中创造超出 30km 的高度记录无人机和其机翼结构。图 1.1 飞行中的“Helios”号太阳能无人机和机翼结构毁解体如图 1.2 所示，事故原因为飞行过程中致不可恢复的形变，最终导致飞机解体。
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279;V214.8

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