复合材料防冰功能单元热/力学特性研究

发布时间：2021-10-26 03:57

　　随着复合材料在飞机设计工程中用量的逐渐增大,复合材料部件的防冰问题受到关注。采用内嵌电加热元件的复合材料电热防冰结构是解决复合材料防冰的有效手段。防冰系统工作时,电加热元件发热会在复合材料中产生较大的温度梯度,从而对各层材料的热/力学特性产生影响。本文采用数值模拟与试验相结合的方法,对复合材料防冰功能单元的热/力学特性展开初步探究,主要内容包括:（1）简要介绍了国内外飞机防冰技术和复合材料层合结构热/力学特性的研究现状,指出本文工作开展的必要性;（2）选取ARJ-21飞机前缘缝翼上一段作为功能单元计算模型,运用防冰热载荷计算方法对其电加热热流密度展开了设计,为电热层加热元件结构的设计提供了依据;（3）基于数值模拟方法,对内嵌电加热元件的复合材料电热防冰结构展开了设计,使其满足飞机强度设计要求。构建了复合材料电加热平板结构,就电热层金属薄膜排布方式对结构温度场和热应力分布的影响进行了探究。结果表明:金属薄膜间隙增大,防冰表面间隙对应区域温度降低,电热层间隙附近应力较远离间隙处低。基于功能单元电加热热流密度设计结果,对复合材料防冰功能单元的温度场和热应力分布完成了数值模拟。结果表明:采用本... 

【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校

【文章页数】：93 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

B787飞机材料用量分布

飞机结冰不但导致机身重量增加，不规则的冰层还会破坏整机气动外形，造成稳定性、操纵性等飞行品质的恶化，严重时将引发空难[1]。1994 年，美国的一架 ATR-72 商用飞机在飞抵芝加哥的航线上，因机翼结冰发生失事坠毁；2002 年，中国台湾一架货运飞机因机翼表面形成冰脊，失事坠于海上；2009 年，法国航空 AF447 号班机因速度传感器结冰，飞行员获知飞机真实速度失败后发生了错误操作，造成机上 228 人全部丧生······众多飞行事故表明，对飞机关键部件表面进行结冰防护不容小觑。现役飞机上需要进行防/除冰的典型位置有：机翼、尾翼、螺旋桨、直升机旋翼、发动机进气口、风挡玻璃等。作为机上的重要系统之一，根据所用能量方式的不同，飞机防冰系统可分为：机械除冰系统、液体防冰系统、热气防冰系统和电热防/除冰系统。目前，后两者在现役飞机上被广泛采用[2]。近年来，随着复合材料在飞机设计工程中用量的逐渐增大，复合材料部件的防冰问题日益成为防冰领域研究的重要分支。复合材料是由两种或两种以上性质各异的材料经过化学或物理手段处理形成的具有新性能的材料[3]。它既保留有原材料的主要特点，又在强度、刚度、耐蚀、寿命等方面获得了经改善的性能。将复合材料应用于传统的飞机研制过程，对改善整机性能大有裨益。目前，复合材料在许多大型飞机上的应用已初具规模[4]，波音 B787、空客 A350 机型对复合材料的使用量分别高达 50%和 52%。

复合材料防冰功能单元系统进行结冰防护。复合材料电热防冰技术的发展适/全电模式发展的趋势。复合材料电热防冰结构的基本形式是将电加热元合材料作为结构层，以使其工作时能承受更大的应力对蒙皮表面防护区域进行加热，防止水滴冻结。图 1热防冰结构剖面图。


本文编号：3458780