摘 要：當(dāng)今復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，航空領(lǐng)域?qū)?fù)合材料的需求日益旺盛，本文基于第十屆 SAMPE 超輕復(fù)合材料機(jī)翼學(xué)生競(jìng)賽所要求的的材料和外形尺寸為設(shè)計(jì)前提，對(duì)機(jī)翼進(jìn)行三點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn)時(shí)使機(jī)翼在中心對(duì)稱(chēng)面處的位移不超過(guò)兩英寸同時(shí)不發(fā)生破壞為約束，在最大載荷達(dá)到11kN時(shí)使機(jī)翼的總重量最小為優(yōu)化目標(biāo)。通過(guò)使用Altair公司的有限元軟件——Hyperworks進(jìn)行仿真模擬分析，使用Hyperworks里的Optistruct求解器對(duì)復(fù)合材料機(jī)翼進(jìn)行拓?fù)洹⒆杂沙叽?、尺寸、順序等?yōu)化設(shè)計(jì)并結(jié)合制造工藝約束，確定出一款性能優(yōu)越的高強(qiáng)度超輕復(fù)合材料機(jī)翼方案。并根據(jù)該優(yōu)化出的方案進(jìn)行試制與試驗(yàn)，根據(jù)試制和試驗(yàn)的總結(jié)得出改進(jìn)措施，最后制作出一款高性能的機(jī)翼。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；機(jī)翼；優(yōu)化設(shè)計(jì)；Hyperworks；三點(diǎn)彎

1 緒論

隨著飛機(jī)功能的日益增多和使用環(huán)境的惡劣，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)除了傳統(tǒng)的幾何尺寸外，還包括層合板的鋪層順序、鋪層比例與鋪層角度等鋪層參數(shù)，各個(gè)參數(shù)之間互相耦合，互相影響，還要考慮到制造工藝約束，大大的增加了設(shè)計(jì)的難度，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法工作量大，內(nèi)容繁瑣而且工作效率低，很難發(fā)揮復(fù)合材料的潛能。要解決復(fù)合材料設(shè)計(jì)的各種參數(shù)問(wèn)題，必須借助有限元軟件方法。在此以SAMPE舉辦的超輕復(fù)合材料機(jī)翼競(jìng)賽所要求的機(jī)翼為研究對(duì)象，展開(kāi)了對(duì)復(fù)合材料機(jī)翼的設(shè)計(jì)、制造、實(shí)驗(yàn)等工作。

2 高強(qiáng)度超輕復(fù)合材料機(jī)翼仿真設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 確定機(jī)翼方案

經(jīng)過(guò)我們的綜合考慮之后采用C字梁和O型梁相組合形成工字梁的結(jié)構(gòu)，并且梁緣條進(jìn)行整體加厚提高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)方案。

2.2 機(jī)翼有限元建模分析

在CATIA三維軟件中畫(huà)好機(jī)翼的標(biāo)準(zhǔn)外形圖，導(dǎo)入到Hypermesh中進(jìn)行有限元建模分析。Hypermesh里首先要對(duì)導(dǎo)入的幾何圖形進(jìn)行幾何清理，確保幾何沒(méi)有問(wèn)題，以免后面影響網(wǎng)格的畫(huà)分。與其他有限元軟件一樣都要對(duì)幾何模型進(jìn)行賦予材料屬性，工況設(shè)置，分析步、網(wǎng)格畫(huà)分，后處理等。不同的地方在于Hypermesh中需要用PCOMP/PCOMPG/PCOMPP將復(fù)合材料層合板的信息賦予給幾何單元。首先利用PCOMPP將鋪層信息賦予給機(jī)翼有限元網(wǎng)格。載荷設(shè)置為機(jī)翼中心對(duì)稱(chēng)處一英寸寬的所有節(jié)點(diǎn)為固定約束，兩端與支撐處的接觸地方設(shè)置受Z軸正向12000N的力，設(shè)好工況之后，運(yùn)行結(jié)果表明機(jī)翼最大位移50.044小于許可位移50.8mm。同時(shí)應(yīng)用Hill準(zhǔn)則計(jì)算復(fù)合材料沒(méi)有發(fā)生失效，失效指數(shù)全部為0，當(dāng)大于等于1時(shí)才失效。

3 制造與試驗(yàn)

泡沫由于其硬度不是太高采用手工打磨的方法，如果用數(shù)控加工只能加工一個(gè)機(jī)翼表面，另一個(gè)面不易加工。預(yù)浸料鋪貼過(guò)程中要保證環(huán)境無(wú)塵，同時(shí)沒(méi)貼幾層就需要抽真空，真空抽的好壞對(duì)性能影響很大。由于要保證梁的效果，采用二次固化，先固化C字梁和O型梁，之后再整體固化。固化方法采用的是烘箱固化。按照上述方法制造出一個(gè)機(jī)翼，并對(duì)其進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。機(jī)翼的最終質(zhì)量為378g，理論計(jì)算是403g，這個(gè)差異主要由于在烘箱中固化時(shí)會(huì)發(fā)生溢膠現(xiàn)象造成的。最終在位移達(dá)到49mm時(shí)承受了12000n的載荷而沒(méi)有發(fā)生破壞，滿(mǎn)足要求。

4 總結(jié)

通過(guò)使用Altair的hypermesh軟件對(duì)復(fù)合材料機(jī)翼進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，后經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該有限元軟件結(jié)果的可靠性，成功制作出了一款滿(mǎn)足要求的機(jī)翼。通過(guò)本次機(jī)翼的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)可以供其他的復(fù)合材料設(shè)計(jì)人員參考。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：中國(guó)民航大學(xué)航空工程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)基地資助，項(xiàng)目編號(hào)：IECAUC2017006

作者簡(jiǎn)介：劉從靈（1995-），男，研究方向：復(fù)合材料機(jī)翼優(yōu)化設(shè)計(jì)。