现代民用无人机复合材料机翼结构设计Word格式.docx

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结合在实习过程中的工作内容，以CATIA进行机翼结构的三维建模，绘制出机翼蒙皮、翼梁、翼肋数模，进行机翼结构设计分析，并展望该领域未来的发展前景。

关键词：

飞机机翼飞机载荷复合材料飞行性能整体成型

Compositewingstructuredesignofciviluav

ABSTRACT

Aircraftwingisthemainloadbearingpartoftheaircraft,thestructuralperformanceofthewingwilldirectlyaffecttheflightperformanceoftheaircraft.Withtherapiddevelopmentofaircraftdesigntechnology,therequirementsofflighttimeandloadweightarebecominghigherandhigher.Compositematerialisanewkindofmaterial,whichislightinweightandstrongindesign.Compositestructurecanbeformedasawhole,whichcanreducethenumberofaircraftstructuresthroughstructuraldesign,makingtheprocesseasier,usingcompositedesignontheaircraftwingstructurecanreducetheweight.Atpresent,theproportionofcompositematerialsusedinaircraftstructureisalsoincreasing,soitisparticularlyimportantforaircraftstructuraldesignerstounderstandthedesignrequirementsofcompositematerials.Chinahasavastterritoryandalargepopulation.Thedevelopmentoftheaviationindustrycanreducethetimeforpeopletotravel,logisticsandexpressdelivery,andrelievethetrafficpressureontheground,whichisofgreatsignificancetotheeconomicdevelopmentofChina.Thispaperintroducestheapplicationofcompositematerialsinaviationindustryathomeandabroad,summarizesthedesigncriteriaofcompositematerials,anddiscussestheadvantagesofstructuraldesignofcompositematerialsforaircraft.CombinedwiththeCATIAintheinternshipprocesstoconductthethree-dimensionalmodelingofthewing,drawoutthewingskin,thewingSPAR,thewingribmathematicalmodel,carryoutthedesignandanalysisofthewingstructure,andlookforwardtothefuturedevelopmentprospectofthisfield.

Keywords:

aircraftwingaircraftloadcompositematerialflightperformanceintegralmolding

1引言

飞机的技术发展离不开结构的优化设计,结构的设计与材料的性能息息相关。

材料的更新性能变化，会引起飞机结构设计的重大改动。

减轻飞机的结构重量、简化飞机制造工艺，提高飞行性能，是飞机结构设计人员是要坚持的目标。

近百年来飞机由木、布结构发展为以铝为主的金属结构到现在以复合材料为主的飞机结构，经过了飞机设计人员无数次的技术革新。

近年来,各国航空公司对飞机结构进行的重要改进，对飞机上使用的材料要求更为严格，不仅要满足飞机的各种载荷要求，还要降低结构重量。

复合材料是近年来在飞机结构设计领域中比较流行的，由于它的优越性能，也推动了飞机设计领域的发展。

新材料对飞机设计领域的冲击是非常巨大的，也会给一些新型企业的发展机遇，促进整个航空领域的发展。

先进复合材料是一种新型的航空材料，复合材料与金属材料有着明显的性能区别。

与传统金属材料相比，复合材料具有优越的性能，如比强度和比刚度高、可设计性强等，有些甚至是金属无法达到的，而且复合材料密度小。

在设计飞机结构时，金属件受到的拉压、扭转和弯曲所带来的应力变形与材料的厚度有关，一般可以增加结构的厚度来提升它的刚度，这往往会使得飞机整体结构重量提升，降低飞机的飞行性能。

但是复合材料层压板和复合材料夹层结构的承载能力变化不仅与结构的厚度有关，还与它的铺层方向有关，通过设计合理的铺层方向可以提升复合材料在该方向上的承载能力，从而可以降低结构厚度。

复合材料机翼结构既能满足飞机的各种载荷需求也能达到减轻飞机结构重量的效果，从而大大提高了飞机的飞行性能。

因此，采用有复合材料飞机结构设计利于飞机的减重设计。

1.1设计目的和现实意义

二十一世纪以来，复合材料结构飞机已经成为飞机设计应用的主要结构了，复合材料占全机的比例越高飞机越先进。

在实习过程中接触到飞机复合材料结构设计，并且有幸参与CR292机翼设计项目。

经得公司相关部门同意，使用已经成型进行生产的无人机机翼气动外形面进行修改，并且进行机翼局部结构设计。

本设计论文主要是为了阐述在实习期间自己对复合材料在飞机结构上的应用理解，并且希望能通过本次设计能够加强对复合材料的属性、机翼结构、机械零件设计遵循原则等方面的了解，能更好的完成学习和工作任务。

1.2复合材料机翼结构的发展过程

1.2.1复合材料在国外航空公司的发展状况

在20世纪70年代中，波音公司率先在新研发的军机上采用复合材料机翼结构设计；

随后以空客为代表的欧洲航空公司也正在新研制的军用飞机上也采用复合材料机翼结构设计；

在20世纪70年代中、后期，复合材料机翼蒙皮壁板和梁、肋的结构设计与制造技术开始使用（典型代表为美国鹞式攻击机AV-8B）；

20世纪80年代初，复合材料用于机翼整体油箱的设计和前掠翼设计（典型代表为美国前掠翼X-29验证机）；

20世纪80年代后期，机翼翼面设计、制造一体化技术逐步成熟，大型飞机翼面的共固化技术开始应用（典型代表为美军的B-2轰炸机）；

20世纪80年代中后期，自动铺丝机技术、低成本的复合材料机翼设计、预成形件技术制造复合材料机翼结构（典型代表为F-22美军F-22）。

目前以国外航空工业为代表的波音公司和空客公司对于复合材料的使用量是随着新型飞机的更新也在不断的增加的。

1.2.2我国复合材料飞机的发展状况

我国第一架带整体油箱的复合材料机翼在1995年试飞成功，这标志着这我国复合材料在飞机机翼上的应用已经逐步成熟了。

目前我国军用飞机机翼结构在复合材料的使用量占机翼总体结构重量的30%～50%,我国研发的中短程大型客机C919采用的复合材料占全机的30%左右，以及正在研发的C929复合材料的比重将会超50%。

随着大型民用客机C919研制成功，这标志着我国的航空工业将会进入一个新的阶段和高度，航空工业必将蓬勃迅猛发展。

但是我国航空复合材料研制发展慢、基础薄、实验技术落后的现实是不容否认的，与国外的先进技术仍然存在些许差距。

我们现在仍然要已学习国外先进飞机技术为主，发展自己的技术水平，才能提高我们的飞机设计技术。

2设计目标与设计要求制定

2.1复合材料结构设计的一般原则

2.1.1铺层设计原则

在一般的情况下，设计员应当按下列层合板铺层设计原则进行设计，以便取得性能较好的层合板、降低层合板的耦合效应和制造难度。

然而不是所有的情况都能够遵循这些设计原则，某些情况下（比如层合板非常薄或者结构承载的方向性非常明确），可能所有的原则都无法遵循，因此需要设计员在设计过程中综合考虑并根据具体情况决定如何应用这些原则。

一般情况下，铺层在层合板厚度的中面两侧对称分布。

其主要目的是为了避免层合板的耦合效应和固化变形。

如果完全对称无法做到，那么应当尽量将非对称的铺层布置在靠近中面的位置上，这样可以降低由于不对称引起的耦合变形。

如图21所示

图21对称铺层

2.1.2铺层比例

原则上，一个层合板各个方向的铺层都要存在，比例应该在8%到67%之间。

这主要是为了防止层合板的泊松比过大，如图22所示。

图22比例铺层

纤维方向沿主应力方向布置；

工程上常用的纤维方向为0°

，45°

、-45°

和90°

，0°

方向沿平面主载荷方向布置；

选择结构最有效率的方案，比如采用夹层板承载弯矩；

设计细节考虑制造工艺限制因素；

作为一般的设计原则，对于自动铺带的制造方式，材料要选用单向带；

设计过程中要考虑修理问题，比如考虑紧固件的替换修理。

2.2层合板设计

一般情况下，所有的层合板都应该源于其中对称面铺设，存在拉伸与弯曲耦合的层合板应该避免。

如果剪切载荷或剪切刚度是设计中的主要考虑因素，那么大部分的材料应与纵轴成±

45°

铺设，因为这样可以提供最高的剪切性能。

但是在计算该层合板的纵向或横向载荷时必须特别小心，因为在这两个方向上的结构强度非常低。

当纯使用±

铺层时，这类复合材料结构在0°

方向的正应力可能会超过材料的强度极限，这在金属结构设计中一般是不会出现的，因此，承载结构中加入足够数量的0°

和/或90°

是必不可少的。

设计人员根据复合材料的各向异性性质选择合适的铺层方向，可以得到更经济有效的结构。

这是在近三个月结构设计中是无法办到的。

在确定层合板铺层顺序时，应该注意的事项：

（1）层合板应对称铺设，而且应保持总体均衡以避免拉-扭耦合。

均衡意味着对于层合板的每一个+45°

铺层存在必须有一个—45°

铺层。

对称要求铺层的顺序关于中面成镜像对称铺设。

（2）铺设顺序严重影响弯曲刚度