复合材料无人机机翼结构的轻量化优化研究

发布时间：2017-09-27 19:33

  本文关键词：复合材料无人机机翼结构的轻量化优化研究

  更多相关文章： 机翼结构 复合材料 轻量化 优化设计 有限元分析

【摘要】：在无人机的研发制造上,机翼是无人机无法缺少的传力和承力组件,对整机的性能影响及其重要,且其结构质量的减重研究是一项重大难题。无人机机翼结构上复合材料的应用,不仅能达到显著的结构减重效果,还能有效提高无人机机翼结构的整体性能。本文采用单目标驱动多变量综合作用的优化方法对机翼结构进行优化设计,采用分步式方法对复合材料机翼部件进行铺层结构优化设计,以期达到机翼结构减重及提高机翼整体性能的目标。本文主要的研究工作及成果如下:(1)通过对复合材料结构设计特点、机翼结构形式、机翼设计原则以及机翼结构外载情况的分析,进行了机翼结构的总体布局、机翼翼型的选取和初始设计参数的确立,建立了NACA2412翼型、薄蒙皮、双翼梁多肋板式机翼结构模型。(2)在ANSYS Workbench的平台上,采用目标驱动优化设计方法,对机翼结构进行了优化设计,分析了各设计变量对优化目标及机翼性能的影响。结果表明:初始机翼符合设计要求,但存在很大的优化空间;蒙皮厚度、前后翼梁的宽度及其厚度对机翼结构质量和整体性能影响程度较大;优化后的机翼相比于优化前的设计方案,机翼结构质量减轻了64%,结构效率提高了79%,达到了很好的优化效果。(3)采用分步式方法对碳纤维机翼部件进行铺层结构优化设计。采用单因素分析方法对蒙皮夹芯结构的上下面板厚度和蜂窝芯层厚度进行优化设计分析,继而对蒙皮上下面板的铺层角度进行优化设计;采用遗传算法对翼梁和肋板层合板结构的铺层顺序进行优化设计,继而对翼梁和肋板层合板结构的任意角度铺层进行优化设计。结果表明:优化后的机翼符合设计要求;相比于优化前的机翼,机翼结构质量减轻了33%、机翼结构强度增强28%,机翼结构刚度增强17%,机翼最大Tsai-Wu失效因子降低38%,优化效果极好,提高了机翼结构的整体性能。通过对机翼的结构优化设计及机翼部件铺层结构优化设计,机翼结构质量总共减重高达76%,且相比于结构优化设计后的机翼,有效提高了机翼结构的整体性能,为工程应用提供了实则性的指导。
【关键词】：机翼结构 复合材料 轻量化 优化设计 有限元分析
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 无人机的发展现状11-13
• 1.1.1 无人机概述11-12
• 1.1.2 国内外无人机的发展状况12-13
• 1.2 复合材料在航空结构中的应用13-16
• 1.2.1 复合材料在航空结构中的应用现状13-15
• 1.2.2 复合材料优化设计的研究现状15-16
• 1.3 课题研究的意义16
• 1.4 本文的研究内容16-18
• 第二章 机翼结构的初始设计18-32
• 2.1 机翼结构的设计依据18-21
• 2.1.1 复合材料结构设计特点18
• 2.1.2 典型机翼结构形式18-19
• 2.1.3 机翼结构设计原则19-21
• 2.2 机翼结构的外载分析21-25
• 2.3 机翼结构的总体布局设计25-28
• 2.3.1 无人机设计要求25-26
• 2.3.2 机翼总体布局的初步选择26
• 2.3.3 机翼结构选材26-28
• 2.4 机翼结构的初步设计28-31
• 2.4.1 翼型的选择28-29
• 2.4.2 机翼初始设计参数的确定29-30
• 2.4.3 机翼几何模型30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 机翼结构优化分析32-46
• 3.1 机翼结构的有限元分析32-39
• 3.1.1 有限元模型化的简化原则32-33
• 3.1.2 定义接触类型33
• 3.1.3 划分网格33-35
• 3.1.4 载荷及边界条件35
• 3.1.5 机翼结构的有限元分析35-39
• 3.2 机翼结构优化与分析39-43
• 3.2.1 机翼结构优化设计39-40
• 3.2.2 灵敏度分析40-42
• 3.2.3 优化结果及分析42-43
• 3.3 结构效率评估43-45
• 3.3.1 结构效率定义43-44
• 3.3.2 结构效率的计算方法44
• 3.3.3 评估机翼结构设计方案44-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第四章 碳纤维机翼部件铺层结构优化设计46-71
• 4.1 复合材料层合结构46-50
• 4.1.1 层合板理论基本假设46
• 4.1.2 经典层合板理论46-47
• 4.1.3 层合板失效准则47-49
• 4.1.4 层合板设计原则49-50
• 4.2 蒙皮夹芯结构铺层优化50-60
• 4.2.1 面板及芯层的厚度优化50-55
• 4.2.2 面板碳纤维铺层角度优化55-59
• 4.2.3 蒙皮夹芯结构铺层优化结果分析59-60
• 4.3 翼梁及肋板层合板结构铺层优化60-70
• 4.3.1 碳纤维铺层顺序优化60-65
• 4.3.2 碳纤维任意角度铺层优化65-69
• 4.3.3 翼梁及肋板层合板结构铺层优化结果分析69-70
• 4.4 碳纤维机翼部件铺层结构优化结果分析70
• 4.5 本章小结70-71
• 第五章 总结与展望71-73
• 5.1 总结71-72
• 5.2 展望72-73
• 参考文献73-77
• 致谢77-78
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及专利情况78

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本文编号：931572