大展弦比复合材料机翼结构优化设计

发布时间：2020-08-10 17:04

【摘要】：大展弦比机翼构型是适用于高空长航时飞机的主要布局形式。机翼是飞机产生升力的主要部件,同时其重量在全机结构重量中占据较大比重,机翼的性能直接影响飞机整体性能。通过在结构上使用具有可设计性的复合材料,可以有效减轻机翼结构重量,并改善机翼性能。为此,本文根据等效刚度方法,对大展弦比复合材料机翼的结构设计优化方法进行了研究,全文主要工作如下:1)研究了大展弦比复合材料机翼的设计方案,针对其特性确定了计算方法。确定了机翼总体方案,实现了气动模型和结构模型的参数化,根据经验公式估算了机翼结构重量,研究了气动载荷在结构上的加载方法,通过Isight软件搭建了大展弦比机翼气动结构计算流程模型。2)研究了复合材料加筋板等效方法应用于大展弦比机翼结构设计的可行性。研究了复合材料加筋板的等效方法及在有限元模型中的应用方法,验证了等效刚度有限元模型在静力分析、模态分析和颤振分析中的精确性,并确认使用等效刚度有限元模型能够提高优化计算效率。3)结合气动、结构等学科建立了大展弦比复合材料机翼结构优化平台,实现了对机翼性能的快速计算,对某大展弦比复合材料机翼进行了结构优化,使机翼满足静力学、动力学和气动弹性约束,减轻结构重量。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V214.11
【图文】：

无人机,航空环境,太阳神,环境研究

图 1.1 RQ-4“全球鹰”无人机“太阳神”无人机（见图1.2）作为航空环境公司为NASA的环境研究和传感器技术（ERAST）计划研制的一款验证机，翼展 75 米，重量 90 公斤，巡航速度 30 公里/小时。“太阳神”无人机采用太阳能作为动力源，使其续航时间相对于使用传统燃料的飞行器更长，理论上具有无限续航能力。“太阳神”的轻重量和高升阻比设计使其获得优秀的高空飞行性能，2001 年，它创造了无燃料飞行器飞行海拔高度的世界纪录 29524 米。“全球观察者”（见图 1.3）系列无人机是航空环境公司为参与美国新一代无人侦察机计划，用于开发验证的产物，其翼展 53.3 米，机身长度 21.3 米，可在 20000 米高的平流层巡航飞行。通过采用液化氢燃料，“全球观察者”无人机续航时间可达一周，相对于“全球鹰”其持续部署能力大大提高。这两种无人机通过采用新能源技术，实现了低成本高空长航时飞行，通过搭载各种任务模块，有望作为卫星的替代者在侦察监视、环境监测和通信中继等任务中发挥作用。

影像,太阳神,无人机

往福岛核电站拍摄反应堆受损影像，展示了其可执行任务的多样性。图 1.1 RQ-4“全球鹰”无人机“太阳神”无人机（见图1.2）作为航空环境公司为NASA的环境研究和传感器技术（ERAST）计划研制的一款验证机，翼展 75 米，重量 90 公斤，巡航速度 30 公里/小时。“太阳神”无人机采用太阳能作为动力源，使其续航时间相对于使用传统燃料的飞行器更长，理论上具有无限续航能力。“太阳神”的轻重量和高升阻比设计使其获得优秀的高空飞行性能，2001 年，它创造了无燃料飞行器飞行海拔高度的世界纪录 29524 米。“全球观察者”（见图 1.3）系列无人机是航空环境公司为参与美国新一代无人侦察机计划，用于开发验证的产物，其翼展 53.3 米

全球观,无人机

图 1.3 “全球观察者”无人机中复合材料的应用翼由于其升阻比较大，升力线斜率高[3]，有利于降低飞机燃油消飞行的要求，飞机需要减轻自身结构重量，所以大展弦比机翼但这使得机翼结构的刚度相对不足，机翼翼尖容易发生较大的且在气动力作用下机翼会产生很大的弹性变形，使颤振特性发变形对机翼的颤振速度和颤振频率的影响高达 50%左右[4]。大题突出[5],在发生较大变形情况下，机翼翼根处会承受较大弯矩较差[6]。因此要同时满足气动弹性要求和稳定性需求是大展弦用可根据需要设计刚度大小和主方向的复合材料，是满足大展径。指将两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法组合其组成材料可以在性能上进行互补，所以复合材料的综合性能优用的混凝土、玻璃钢等都属于复合材料。20 世纪 60 年代初，

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