高強度超輕復合材料機翼

摘 要：當今復合材料廣泛應用于各行各業，航空領域對復合材料的需求日益旺盛，本文基于第十屆 SAMPE 超輕復合材料機翼學生競賽所要求的的材料和外形尺寸為設計前提，對機翼進行三點彎實驗時使機翼在中心對稱面處的位移不超過兩英寸同時不發生破壞為約束，在最大載荷達到11kN時使機翼的總重量最小為優化目標。通過使用Altair公司的有限元軟件——Hyperworks進行仿真模擬分析，使用Hyperworks里的Optistruct求解器對復合材料機翼進行拓撲、自由尺寸、尺寸、順序等優化設計并結合制造工藝約束，確定出一款性能優越的高強度超輕復合材料機翼方案。并根據該優化出的方案進行試制與試驗，根據試制和試驗的總結得出改進措施，最后制作出一款高性能的機翼。

關鍵詞：復合材料；機翼；優化設計；Hyperworks；三點彎

1 緒論

隨著飛機功能的日益增多和使用環境的惡劣，對飛機結構設計的要求越來越高。復合材料結構設計參數除了傳統的幾何尺寸外，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，各個參數之間互相耦合，互相影響，還要考慮到制造工藝約束，大大的增加了設計的難度，對結構設計提出了更高的要求，采用傳統的設計方法工作量大，內容繁瑣而且工作效率低，很難發揮復合材料的潛能。要解決復合材料設計的各種參數問題，必須借助有限元軟件方法。在此以SAMPE舉辦的超輕復合材料機翼競賽所要求的機翼為研究對象，展開了對復合材料機翼的設計、制造、實驗等工作。

2 高強度超輕復合材料機翼仿真設計內容

2.1 確定機翼方案

經過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構，并且梁緣條進行整體加厚提高強度的結構方案。

2.2 機翼有限元建模分析

在CATIA三維軟件中畫好機翼的標準外形圖，導入到Hypermesh中進行有限元建模分析。Hypermesh里首先要對導入的幾何圖形進行幾何清理，確保幾何沒有問題，以免后面影響網格的畫分。與其他有限元軟件一樣都要對幾何模型進行賦予材料屬性，工況設置，分析步、網格畫分，后處理等。不同的地方在于Hypermesh中需要用PCOMP/PCOMPG/PCOMPP將復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翼有限元網格。載荷設置為機翼中心對稱處一英寸寬的所有節點為固定約束，兩端與支撐處的接觸地方設置受Z軸正向12000N的力，設好工況之后，運行結果表明機翼最大位移50.044小于許可位移50.8mm。同時應用Hill準則計算復合材料沒有發生失效，失效指數全部為0，當大于等于1時才失效。

3 制造與試驗

泡沫由于其硬度不是太高采用手工打磨的方法，如果用數控加工只能加工一個機翼表面，另一個面不易加工。預浸料鋪貼過程中要保證環境無塵，同時沒貼幾層就需要抽真空，真空抽的好壞對性能影響很大。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機翼，并對其進行力學實驗測試。機翼的最終質量為378g，理論計算是403g，這個差異主要由于在烘箱中固化時會發生溢膠現象造成的。最終在位移達到49mm時承受了12000n的載荷而沒有發生破壞，滿足要求。

4 總結

通過使用Altair的hypermesh軟件對復合材料機翼進行仿真設計，后經過試驗驗證了該有限元軟件結果的可靠性，成功制作出了一款滿足要求的機翼。通過本次機翼的設計制造經驗可以供其他的復合材料設計人員參考。

參考文獻：

[1]胡江波，梁憲珠，等.高載荷質量比復合材料機翼模型結構設計與制造研究[J].材料開發與應用，2011，26（3）：7-40.

[2]楊乃賓，章怡寧.復合材料飛機結構設計[M].北京：航空工業出版社，2002：70-80.

[3]楊偉，常楠，王偉.飛機復合材料翼面結構優化設計理論與應用[M].北京：國防工業出版社.

基金項目：中國民航大學航空工程創新創業實驗基地資助，項目編號：IECAUC2017006

作者簡介：劉從靈（1995-），男，研究方向：復合材料機翼優化設計。