基于網(wǎng)狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的載重驗(yàn)證機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

黃盼偉　張鼎宸　徐顯超　盧翔　張祥宏

【摘 要】在大載重航模驗(yàn)證機(jī)研制過程中，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷作用下易發(fā)生疲勞破壞。本文提出一種大載重驗(yàn)證機(jī)設(shè)計(jì)方案，采用網(wǎng)狀復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu)，以同時(shí)滿足載重、結(jié)構(gòu)壽命和飛行性能要求首先，綜合利用空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和飛機(jī)設(shè)計(jì)等知識(shí)進(jìn)行大載重驗(yàn)證機(jī)總體設(shè)計(jì)，確定驗(yàn)證機(jī)外形和結(jié)構(gòu)布局，并基于AUTOCAD和CATIA軟件給出驗(yàn)證機(jī)外形和結(jié)構(gòu)尺寸。然后利用有限元分析軟件進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定合理的鋪層方式。

【關(guān)鍵詞】大載重；網(wǎng)狀復(fù)合材料；強(qiáng)度；有限元；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 前言

本文的研究重點(diǎn)在于飛機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以下從總體設(shè) 計(jì)目標(biāo)、翼型的選用、機(jī)翼升阻特性計(jì)算以及操縱面設(shè)計(jì)和材料的選取，加工流程以及工藝幾項(xiàng)詳 細(xì)論述了按照總體設(shè)計(jì)指標(biāo)所進(jìn)行的詳細(xì)理論計(jì)算過程。過復(fù)合材料制作工藝，對(duì)輕木驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，大力地采用復(fù)合材料制作工藝，發(fā)揚(yáng)復(fù)合材料的長處，來解決其壽命短、不耐疲勞的問題。

1 總體設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.1 機(jī)翼設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1.1 翼型的選擇

翼面是產(chǎn)生升力的主要部件，對(duì)飛行性能有很大的影響，所以滿足空氣動(dòng)力學(xué)方面的要求是首要的，除了保證升力外，還要求阻力特別小。載重驗(yàn)證機(jī)機(jī)翼所選取的翼型主要是升阻比較大的翼型，則選取CLARK X翼型，

1.1.2 機(jī)翼的外形設(shè)計(jì)

1.2 機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則應(yīng)保證強(qiáng)度，剛度，以及表面光滑度等方面來保證機(jī)翼氣動(dòng)外形要求的實(shí)現(xiàn)，機(jī)翼的主要部件包括蒙皮等，氣動(dòng)載荷將力從蒙皮傳遞給翼梁和腹板，承受機(jī)翼彎矩引起的軸力。所以將整塊蒙板用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所有的氣動(dòng)載荷在很大程度上傳遞給蒙板，整段機(jī)翼將會(huì)承受彎矩。對(duì)機(jī)翼起支撐作用的翼梁和翼肋所受的載荷比例將會(huì)大大降低。整塊機(jī)翼采用碳纖維鋪層，真空袋成型工藝。主要是為了能夠保證原有的外形條件下，減少翼肋的使用，更多的使用碳纖維復(fù)合材料作為主要承力結(jié)構(gòu)。

1.3 模具的設(shè)計(jì)與加工

1.3.1 模具的材料使用酚醛圧層的膠木板（電木），電木板因具有不吸水，電氣性能佳，機(jī)械加工性能好，絕緣，不產(chǎn)生靜電，耐磨耐高溫等優(yōu)良性能，所以特別適合機(jī)械模具的加工和制造。

1.3.2 加工方式主要分為粗加工和精加工

（1）粗加主要是采用銑床用銑刀進(jìn)行雕刻加工，主要目的是刻好所有的初步刀痕。

（2）精加工的主要流程是在原有的粗銑刀痕的基礎(chǔ)上用不同型號(hào)的砂紙進(jìn)行精細(xì)打磨

（3）再使用拋光砂進(jìn)行最后的精磨得到表面極其光滑的模具。

（4）最終得到模具實(shí)物

機(jī)翼的制作分為上下兩半模和成型，所以模具也應(yīng)分為上下兩半。按照左右機(jī)翼對(duì)稱可以得到應(yīng)該設(shè)計(jì)加工四塊模具。

1.4 材料堆疊層數(shù)以及鋪層設(shè)計(jì)

主要是以機(jī)翼翼展向?yàn)榛鶞?zhǔn)參考，45度交替鋪層方式為主要鋪層方式。

1.5 碳纖維和玻璃布纖維的鋪層

1.5.1 碳纖維的鋪層主要采用手糊成型工藝，先將脫模劑涂在模具表面，將其揮發(fā)干之后，再將碳纖維按照原有的理論分析方式鋪在模具的外形表面，刷上已經(jīng)按照最佳配比方式進(jìn)行配比的環(huán)氧樹脂和固化劑的混合物，經(jīng)大量試驗(yàn)證明環(huán)氧樹脂和固化劑以3：1的比例混合為最佳混合比例。

1.5.2 固化劑的選取以及其參數(shù)

B103環(huán)氧樹脂固化劑是采用聚醚胺改性而成的新型胺類溫室固化劑

2 復(fù)合材料機(jī)翼設(shè)計(jì)制作總體結(jié)論

此復(fù)合材料機(jī)翼在以上氣動(dòng)，結(jié)構(gòu)，有限元分析的基礎(chǔ)之上，通過手糊成型法加工工藝制造出符合要求的機(jī)翼，對(duì)比其他驗(yàn)證機(jī)的制作經(jīng)驗(yàn)以及成品效果來看，此網(wǎng)狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有比一般普通機(jī)翼耐疲勞，載重大等優(yōu)勢(shì)。有效的解決了一般普通飛機(jī)容易疲勞，機(jī)翼 發(fā)生上反折翼斷裂等缺陷，大大提高了飛行的基本要求，可以在限有的條件下保證機(jī)翼的品質(zhì)要求和質(zhì)量。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馬丁西蒙斯[英].馬東立.模型飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué).北京：航空工業(yè)出版社，2007.

[2]顧誦芬.飛機(jī)總體設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2001.

[3]李為吉.飛機(jī)總體設(shè)計(jì).西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[4]徐建新，盧翔.飛機(jī)結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度.中國民航出版社，2014.

[5]錢翼稷.空氣動(dòng)力學(xué)，北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]