太阳能无人飞机复合材料机翼结构设计优化

发布时间：2017-07-06 18:31

  本文关键词：太阳能无人飞机复合材料机翼结构设计优化

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【摘要】：太阳能无人飞机以太阳能为能源,是一种环保节能的飞行器,在大力发展新型能源的趋势下,这种新型环保能源飞机已经成为一个发展热点。太阳能无人机大都采用大展弦比机翼为其提供足够的升力,这类无人机的机翼结构主要采用比强度高的先进轻质复合材料从而减轻结构重量并且节约能源和材料。复合材料的应用可以大大提高无人机结构的效率,改善和提高太阳能无人机的整体性能。设计太阳无人飞机时应采用先进的设计方法来满足严格的结构要求,太阳能无人机结构有限元分析结果可以为太阳能无人机优化设计提供参考。本文将分析优化太阳能无人机复合材料机翼结构。通过分析太阳能无人飞机机翼设计的技术指标和结构需求,选择双梁-蒙皮结构形式的机翼,这种结构形式的机翼可以充分发挥梁结构的抗弯和抗扭的特性,从而减小机翼蒙皮的应力,防止铺设在机翼上蒙皮的太阳能电池板的损坏。载荷会导致机翼中大量的薄壁结构发生复杂非线性大变形。通过非线性有限元方法建立双梁-蒙皮形式的机翼有限元模型,运用限元软件ABAQUS流体分析模块计算机翼翼型的载荷分布,然后按照流体分析获得的载荷分布给机翼结构施加外载荷,分析设计中的三种梁结构形式机翼力学特性,可以提高机翼的设计效率和可靠性。对比相同载荷条件下三种梁结构机翼的力学特点,分析了三种梁结构机翼的抗弯和抗扭特性,并通过模态分析获得机翼的振动特性。依据分析结果优选出具有良好抗弯和抗扭特性,以及良好的工艺性的方形梁结构机翼。最后,分析了翼肋结构的屈曲特性及不同蒙皮铺设层数和铺设角度对翼肋屈曲特性的影响,并且优化减少了48%的翼肋重量,从而减轻了11.7%的机翼整体结构重量。研究结果可以为太阳能无人机机翼设计提供重要参考。
【关键词】：太阳能无人机 机翼结构 非线性有限元 力学分析 屈曲 优化
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279;V214.8
【目录】：

• 摘要2-3
• ABSTRACT3-7
• 1 绪论7-18
• 1.1 引言7-8
• 1.2 研究背景8-9
• 1.3 太阳能无人机发展现状9-14
• 1.4 复合材料在飞机上的应用14-16
• 1.5 论文课题来源与主要研究内容16-17
• 1.5.1 论文课题来源16
• 1.5.2 主要研究内容16-17
• 1.6 本章小结17-18
• 2 机翼设计要求与结构有限元建模18-33
• 2.1 引言18
• 2.2 机翼结构设计要求与指标18-19
• 2.3 机翼结构形式的确定19-20
• 2.4 机翼结构有限元建模20-32
• 2.4.1 非线性问题的求解方法20-25
• 2.4.2 机翼有限元模型25-32
• 2.5 本章小结32-33
• 3 机翼结构静力分析与模态分析33-48
• 3.1 引言33
• 3.2 单元应力与应变的求解方法33-34
• 3.3 单向板强度准则34-35
• 3.4 机翼载荷计算35-36
• 3.5 机翼自重分析36-38
• 3.6 不同形式梁机翼结构静强度计算结果分析38-44
• 3.6.1 机翼静强度分析38-43
• 3.6.2 三种梁结构机翼的对比分析43-44
• 3.7 机翼结构模态分析44-47
• 3.8 本章小结47-48
• 4 机翼结构与冀肋板屈曲分析48-61
• 4.1 引言48
• 4.2 屈曲分析理论48-52
• 4.3 基于ABAQUS的屈曲分析52-60
• 4.3.1 机翼结构线性屈曲计算分析53-56
• 4.3.2 复合材料翼肋板线性屈曲分析56-57
• 4.3.3 蒙皮铺层方式对翼肋载荷因子的影响57-58
• 4.3.4 翼肋板后屈曲分析58-60
• 4.4 本章小结60-61
• 5 机翼翼肋结构优化61-70
• 5.1 引言61
• 5.2 变密度优化方法61-62
• 5.3 ABAQUS优化模块62-64
• 5.4 优化结果分析64-69
• 5.5 本章小结69-70
• 6 结论与展望70-71
• 6.1 结论70
• 6.2 展望70-71
• 参考文献71-74
• 攻读硕士学位期间发表的论文74-75
• 致谢75-77

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本文编号：527375