復合材料副翼結構優化設計研究

張佳佳

摘 要：飛機副翼的結構性能對其飛行性能有著至關重要的影響。對于飛機副翼的性能而言，材料的選擇非常重要。由于復合材料具有輕量化、高強度等特點，目前在飛機設計中得到了廣泛應用。因此，探討了復合材料機副翼結構的優化設計問題，并提出了相應的解決對策，以供參考。

關鍵詞：復合材料；飛機副翼；主梁；六面體實體單元

中圖分類號：V224 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.097

1 復合材料副翼結構的聯合優化設計

1.1 復合材料骨架的優化設計

在復合材料骨架的概念設計中，通常需要依據副翼外形的實際尺寸建立整體模型，并在此基礎上劃分為設計域、非設計域兩個部分。其中，設計域主要包括副翼肋板所在空間，主要以六面體實體單元填充；非設計域主要包括主梁，上、下蒙皮和后緣緣條，主要采用殼單元劃分網格。副翼概念設計中的有限元模型如圖1所示。

圖1 副翼概念設計中的有限元模型

1.2 復合材料肋板的優化設計

應先優化復合材料肋板，并將副翼肋板按照1～6的順序編號。其中，1～4號肋板的大小必須相同，5號和6號肋板的大小必須相同。為了更好地開展優化構型的設計和加工，應在實際優化過程中進一步對肋板設計區進行“模式重復”約束，即將相同的構型運用到大小一致的助板中；將1號肋板的設計區設定為主設計區，2～4號肋板的設計區設定為1號肋板的從設計區，并在5號和6號肋板設計區內將5號肋板設置為主設計區，6號肋板的設計區為5號助板設計區的從設計區。在此情況下，無論6種肋板設計域是否具有一致的邊界條件、采用相同的網格劃分，都可確保其在從設計區上形成一種與主設計區結構模式相同的優化效果。此外，為了更好地保證剛度，必須將副翼翼梢頂部節點的位移控制在50 mm以內，促使其可通過最小的質量結構，從而有效開展優化計算工作。

2 復合材料蒙皮的優化設計

在飛機的副翼結構中，副翼蒙皮最主要的作用為承受飛機轉向、降落時的迎向氣流載荷。同時，作為飛機機翼的重要組成部分，在飛機平飛過程中通常會承擔一定的升力載荷。其中，金屬骨架與蒙皮間主要利用鉚釘連接，而蒙皮與主梁、加強接頭間則多采用螺栓連接，且其通常會分別選用截面面積不同的PBAR單元模擬。此外，對于復合材料層合板而言，常選用四種鋪設角，即0°、±45°、90°進行相關鋪設，而副翼結構中的上、下蒙皮通常被設計成兩個獨立的設計域，但在這兩個設計域中，均采用單一分區的方式為后續各優化過程提供充足的優化空間，確保每個超級層的厚度都具備合適的初始尺寸。為了消除熱變形翹曲和減小內應力，復合材料結構采用工程中常用的對稱鋪層設計，因此，其剛度系數β為0.

2.1 蒙皮的概念設計

在進行蒙皮的概念設計時，通常采用自由尺寸的優化方法，并在此基礎上進一步將具有相同鋪設角的所有鋪層劃分為一個超級層，再以每個單元超級層的實際厚度作為主要的設計變量。此外，在實際優化過程中，應限定復合材料用量為50%，并將載荷工況下的最大剛度結構作為基本的優化目標。為了確保最終設計結果的可制造性，需要從蒙皮的概念設計階段開始加入合理的制造約束。當自由尺寸的優化完成后，可獲得上、下蒙皮各自的厚度分布，再在此基礎上根據各個超級層的實際厚度將其解析為4種不同形狀的鋪層塊。

2.2 蒙皮的系統設計

在進行蒙皮的系統設計時，被采用最多的是尺寸優化方法，即將形狀不同的鋪層塊的厚度尺寸作為設計變量，從而獲取各種形狀鋪層塊的最佳厚度、確定各種類型鋪層塊的實際鋪設層數。一般而言，在自由尺寸優化階段形成的各種可制造性約束會在該階段被自動繼承下來，并在尺寸優化階段繼續發揮作用。為了更好地保證設計的可信度，需要相關工作人員及時為其引入金屬結構屈服約束和復合材料的失效約束，從而有效避免因結構失效而產生的破壞作用。比如，通過選用Tsai-Wu失效準則，可有效防止載荷工況下復合材料層合板中單層失效問題的發生，并將金屬結構上的最大應力限制在所用鋁合金的屈服極限（462 MPa）以內。

2.3 蒙皮的細節設計

當獲得各種角度和各種形狀鋪層塊的實際鋪設層數后，需要全面優化實際鋪層的層疊次序，并在此基礎上，打亂、重排之前兩個優化階段中形成的一系列鋪層，最終的結果可直接應用于實際加工指導工作中。

3 結論

綜上所述，針對復合材料的實際特點，對飛機復合材料的副翼結構進行了更深層次的聯合優化設計。從設計結果可見，該優化設計方案可滿足相關要求，且飛機減重明顯，值得在設計實踐中進一步推廣。

參考文獻

[1]丁玲.全復合材料無人機機翼結構優化設計[D].長春：中國科學院研究生院，2014.

[2]周磊，萬志強，楊超.復合材料壁板鋪層參數對大展弦比機翼氣動彈性優化的影響[J].復合材料學報，2013（05）.

〔編輯：張思楠〕