复合材料在提升机翼颤振速度中的作用研究

发布时间：2017-10-03 17:07

  本文关键词：复合材料在提升机翼颤振速度中的作用研究

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【摘要】：无论在空气动力学领域还是飞行器的设计研发过程中,颤振问题始终是十分重要的研究课题。又因颤振发生时会出现分岔、周期倍化、混沌等多种现象,所以它也是最难以预测的不稳定现象之一。由于颤振一旦发生,将会带来严重的后果,即使轻微的颤振也会使结构的疲劳破坏加速。因此提高飞行器的颤振速度一直是科学家和工程师们研究课题与努力方向。颤振控制方法分为颤振的主动控制和被动控制两种。其中的被动控制方法因其实施方便、效果稳定可靠,在飞行器的设计阶段一般作为颤振控制的首选方法。本文基于Theodorsen气动力函数和片条理论的论基础,利用颤振的被动控制方法,以有限元分析软件Hypermesh和Nastran为工具,进行了新型复合碳纤维材料在提升机翼颤振速度方面应用的仿真分析研究。本文首先对颤振现象的产生、在整个力学体系中的定位等背景知识进行了简要介绍。又基于Theodorsen函数,推导了二元机翼的颤振计算公式。再介绍了颤振计算的两种主要方法—K方法和PK法的原理及实施过程,通过简单对比选择了PK方法作为本文的分析方法。然后在有限元建模软件Hypermesh中对机翼模型进行网格划分,经过一系列合理的等效以及简化工作得到某型号客机机翼结构的有限元模型,并对其进行了模态分析,深入理解机翼结构特点,又对其进行了飞行中的简要流场分析,为颤振分析做准备。随后利用PK法对机翼进行颤振的仿真分析,得到传统金属材料蒙皮机翼的颤振速度以及颤振频率。最后选用碳纤维复合材料M55J构成的层压板作为机翼的蒙皮,作仿真颤振计算。考虑到碳纤维复合材料各向异性的特点,不同的铺层方式的层压板的力学性能有较大差异。因此又改变了碳纤维的铺层方式,分别进行颤振仿真计算,通过对比结果得出结论。最后本文得到如下结论:1、随着技术的发展,新型复合材料的原料成本不断降低,碳纤维材料可以并且已经大规模应用于航空领域。但因其具有各向异性的特点,各方向上的模量差异较大,这就导致由碳纤维的铺层方式决定了铺成的层压板的力学性能。如果铺层方式不当,不仅无法体现出复合材料的优势,甚至使机翼的颤振速度低于传统金属材料蒙皮机翼的颤振速度。2、对于二元机翼而言,颤振一般发生在弯扭耦合模态,此时组成机翼蒙皮的压层板表面纤维主要承受剪力作用。而45?方向的碳纤维可以有效的抵御剪力的作用,使用该角度的碳纤维作为层压板的表面层可使机翼颤振速度得到显著提高。3、如果不改变层压板的厚度,选用较细的纤维以增加纤维铺设层数,使各角度的纤维更加均匀的分布在层压板内部,可以在一定程度上改善机翼结构的力学性能,提高机翼的颤振速度。但因此方法将会大大增加机翼的加工成本,而且提升颤振速度的效果十分有限,所以在使用时需要慎重考虑。4、使用合理铺层的层压板作为机翼蒙皮的材料可以显著提高机翼的颤振速度。较传统铝合金材料而言,使用碳纤维材料可以使机翼的颤振速度提高20%以上,可见复合材料在提升机翼颤振速度方面有着卓越的表现,前景十分广阔。
【关键词】：空气动力 颤振仿真 碳纤维复合材料 纤维铺层方式
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V214.8;V215.34
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 颤振问题简述11-12
• 1.1.1 气动弹性问题的产生原因与特点11-12
• 1.1.2 颤振问题在气动弹性力学中的地位12
• 1.2 颤振问题研究的发展历程12-13
• 1.3 本文的选题意义与主要内容13-17
• 1.3.1 本文的选题意义13-14
• 1.3.2 本文的主要研究内容14-17
• 第2章 颤振现象的产生及颤振速度的计算17-29
• 2.1 颤振现象的产生原因17-19
• 2.2 二元机翼上的非定常气动力19-21
• 2.3 颤振速度的计算21-28
• 2.3.1 机翼运动方程21-24
• 2.3.2 颤振计算的K方法24-26
• 2.3.3 颤振计算的PK法26-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 结构有限元模型与空气动力模型的联接29-39
• 3.1 机翼的气动力单元划分29-32
• 3.2 Nastran中联接结构模型与气动力模型的方法32-34
• 3.3 样条函数的选取34-37
• 3.4 本章小结37-39
• 第4章 机翼的模态及流场分析39-47
• 4.1 机翼有限元模型的建立及模态分析39-42
• 4.2 机翼的流场分析42-44
• 4.3 本章小结44-47
• 第5章 机翼颤振速度仿真计算47-63
• 5.1 机翼气动力模型的建立47-50
• 5.2 机翼颤振分析计算结果50-58
• 5.2.1 传统材料机翼颤振速度计算50-52
• 5.2.2 复合材料机翼颤振速度计算52-58
• 5.3 结果对比58-60
• 5.4 本章小结60-63
• 第6章 总结与展望63-67
• 6.1 总结63-64
• 6.2 展望64-67
• 参考文献67-72
• 作者简介72-73
• 获得的奖励72-73
• 致谢73

【参考文献】

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本文编号：965674