民用無(wú)人機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、 民用無(wú)人機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 現(xiàn)代民用無(wú)人機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要 飛機(jī)機(jī)翼是飛機(jī)的主要承受載荷的部位，機(jī)翼的結(jié)構(gòu)性能會(huì)直接影響飛機(jī)的飛行性能。隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的快速成長(zhǎng)，對(duì)飛機(jī)的航行時(shí)間以及載荷重量要求也越來(lái)越高。復(fù)合材料屬于一種新型的材料，具有重量輕、可設(shè)計(jì)強(qiáng)等特點(diǎn)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以整體成型，從而可以通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少飛機(jī)的結(jié)構(gòu)數(shù)量，使工藝更簡(jiǎn)單,在飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)上采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)能有效減輕重量。目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的使用比例也越來(lái)越高，了解復(fù)合材料設(shè)計(jì)要求對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員尤為重要。我國(guó)疆域遼闊、人口眾多 ，通過(guò)發(fā)展航空業(yè)可以減少人們出行和

2、物流快遞的時(shí)間，緩解地面交通壓力，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。本文介紹了國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料在航空工業(yè)的使用現(xiàn)狀，概括了復(fù)合材料的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，討論了復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好處。結(jié)合在實(shí)習(xí)過(guò)程中的工作內(nèi)容，以CATIA進(jìn)行機(jī)翼結(jié)構(gòu)的三維建模，繪制出機(jī)翼蒙皮、翼梁、翼肋數(shù)模，進(jìn)行機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，并展望該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展前景。 關(guān)鍵詞：飛機(jī)機(jī)翼 飛機(jī)載荷 復(fù)合材料 飛行性能 整體成型 Composite wing structure design of civil uav ABSTRACT Aircraft wing is the main load

3、 bearing part of the aircraft, the structural performance of the wing will directly affect the flight performance of the aircraft. With the rapid development of aircraft design technology, the requirements of flight time and load weight are becoming higher and higher. Composite material is a new kin

4、d of material, which is light in weight and strong in design. Composite structure can be formed as a whole, which can reduce the number of aircraft structures through structural design, making the process easier, using composite design on the aircraft wing structure can reduce the weight. At present

5、, the proportion of composite materials used in aircraft structure is also increasing, so it is particularly important for aircraft structural designers to understand the design requirements of composite materials. China has a vast territory and a large population. The development of the aviation in

6、dustry can reduce the time for people to travel, logistics and express delivery, and relieve the traffic pressure on the ground, which is of great significance to the economic development of China. This paper introduces the application of composite materials in aviation industry at home and abroad,

7、summarizes the design criteria of composite materials, and discusses the advantages of structural design of composite materials for aircraft. Combined with the CATIA in the internship process to conduct the three-dimensional modeling of the wing, draw out the wing skin, the wing SPAR, the wing rib m

8、athematical model, carry out the design and analysis of the wing structure, and look forward to the future development prospect of this field. Key words: aircraft wing aircraft load composite material flight performance integral molding 目 錄 摘 要 I ABSTRACT

9、II 1 引 言 1 1.1 設(shè)計(jì)目的和現(xiàn)實(shí)意義 1 1.2 復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)的發(fā)展過(guò)程 2 1.2.1 復(fù)合材料在國(guó)外航空公司的發(fā)展?fàn)顩r 2 1.2.2 我國(guó)復(fù)合材料飛機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r 2 2 設(shè)計(jì)目標(biāo)與設(shè)計(jì)要求制定 3 2.1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則 3 2.1.1 鋪層設(shè)計(jì)原則 3 2.1.2 鋪層比例 3 2.2 層合板設(shè)計(jì) 4 2.3 夾層板結(jié)構(gòu) 5 2.3.1 面板 5 2.3.2 芯子 6 2.3.3 防水保護(hù) 9 2.4 開口設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 10 2.5 中、小開口的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 10 2.5.1 大開口的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 11 3 機(jī)翼總體布局 11 3

10、.1 機(jī)翼主體結(jié)構(gòu) 11 3.2 蒙皮設(shè)計(jì) 12 3.2.1 機(jī)翼上蒙皮設(shè)計(jì) 13 3.2.2 機(jī)翼下蒙皮設(shè)計(jì) 13 3.3 機(jī)翼梁設(shè)計(jì) 14 3.4 機(jī)翼肋設(shè)計(jì) 16 3.4.1 前肋 16 3.4.2 中肋 17 3.4.3 后肋 18 4 設(shè)計(jì)不足 19 5 結(jié)論 19 5.1 工作總結(jié) 19 5.2 工作展望 19 參考文獻(xiàn) 20 致 謝 21  21 1 引 言 飛機(jī)的技術(shù)發(fā)展離不開結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與材料的性能息息相關(guān)。材料的更新性能變化，會(huì)引起飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重大改動(dòng)。減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量、簡(jiǎn)化飛機(jī)制造工藝，提高

11、飛行性能，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員是要堅(jiān)持的目標(biāo)。近百年來(lái)飛機(jī)由木、布結(jié)構(gòu)發(fā)展為以鋁為主的金屬結(jié)構(gòu)到現(xiàn)在以復(fù)合材料為主的飛機(jī)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)了飛機(jī)設(shè)計(jì)人員無(wú)數(shù)次的技術(shù)革新。近年來(lái),各國(guó)航空公司對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的重要改進(jìn)，對(duì)飛機(jī)上使用的材料要求更為嚴(yán)格，不僅要滿足飛機(jī)的各種載荷要求，還要降低結(jié)構(gòu)重量。復(fù)合材料是近年來(lái)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中比較流行的，由于它的優(yōu)越性能，也推動(dòng)了飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展。新材料對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的沖擊是非常巨大的，也會(huì)給一些新型企業(yè)的發(fā)展機(jī)遇，促進(jìn)整個(gè)航空領(lǐng)域的發(fā)展。 先進(jìn)復(fù)合材料是一種新型的航空材料，復(fù)合材料與金屬材料有著明顯的性能區(qū)別。與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料具有優(yōu)越的性能，如比強(qiáng)

12、度和比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等，有些甚至是金屬無(wú)法達(dá)到的，而且復(fù)合材料密度小。在設(shè)計(jì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，金屬件受到的拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲所帶來(lái)的應(yīng)力變形與材料的厚度有關(guān)，一般可以增加結(jié)構(gòu)的厚度來(lái)提升它的剛度，這往往會(huì)使得飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)重量提升，降低飛機(jī)的飛行性能。但是復(fù)合材料層壓板和復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的承載能力變化不僅與結(jié)構(gòu)的厚度有關(guān)，還與它的鋪層方向有關(guān)，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的鋪層方向可以提升復(fù)合材料在該方向上的承載能力，從而可以降低結(jié)構(gòu)厚度。 復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)既能滿足飛機(jī)的各種載荷需求也能達(dá)到減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的效果，從而大大提高了飛機(jī)的飛行性能。因此，采用有復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利于飛機(jī)的減重設(shè)計(jì)。 1.1 設(shè)計(jì)目

13、的和現(xiàn)實(shí)意義 二十一世紀(jì)以來(lái)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機(jī)已經(jīng)成為飛機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用的主要結(jié)構(gòu)了，復(fù)合材料占全機(jī)的比例越高飛機(jī)越先進(jìn)。在實(shí)習(xí)過(guò)程中接觸到飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且有幸參與CR292機(jī)翼設(shè)計(jì)項(xiàng)目。經(jīng)得公司相關(guān)部門同意，使用已經(jīng)成型進(jìn)行生產(chǎn)的無(wú)人機(jī)機(jī)翼氣動(dòng)外形面進(jìn)行修改，并且進(jìn)行機(jī)翼局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)論文主要是為了闡述在實(shí)習(xí)期間自己對(duì)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用理解，并且希望能通過(guò)本次設(shè)計(jì)能夠加強(qiáng)對(duì)復(fù)合材料的屬性、機(jī)翼結(jié)構(gòu)、機(jī)械零件設(shè)計(jì)遵循原則等方面的了解，能更好的完成學(xué)習(xí)和工作任務(wù)。 1.2 復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)的發(fā)展過(guò)程 1.2.1 復(fù)合材料在國(guó)外航空公司的發(fā)展?fàn)顩r 在20世紀(jì)70 年代中，

14、波音公司率先在新研發(fā)的軍機(jī)上采用復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；隨后以空客為代表的歐洲航空公司也正在新研制的軍用飛機(jī)上也采用復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；在20世紀(jì)70年代中、后期，復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮壁板和梁、肋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)開始使用（典型代表為美國(guó)鷂式攻擊機(jī)AV-8B）；20世紀(jì)80年代初，復(fù)合材料用于機(jī)翼整體油箱的設(shè)計(jì)和前掠翼設(shè)計(jì)（典型代表為美國(guó)前掠翼X-29驗(yàn)證機(jī)）；20世紀(jì)80年代后期，機(jī)翼翼面設(shè)計(jì)、制造一體化技術(shù)逐步成熟，大型飛機(jī)翼面的共固化技術(shù)開始應(yīng)用（典型代表為美軍的B-2轟炸機(jī)）；20世紀(jì)80年代中后期，自動(dòng)鋪絲機(jī)技術(shù)、低成本的復(fù)合材料機(jī)翼設(shè)計(jì)、預(yù)成形件技術(shù)制造復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)（典型代表為F

15、-22美軍F-22）。 目前以國(guó)外航空工業(yè)為代表的波音公司和空客公司對(duì)于復(fù)合材料的使用量是隨著新型飛機(jī)的更新也在不斷的增加的。 1.2.2 我國(guó)復(fù)合材料飛機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)第一架帶整體油箱的復(fù)合材料機(jī)翼在1995年試飛成功，這標(biāo)志著這我國(guó)復(fù)合材料在飛機(jī)機(jī)翼上的應(yīng)用已經(jīng)逐步成熟了。目前我國(guó)軍用飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)在復(fù)合材料的使用量占機(jī)翼總體結(jié)構(gòu)重量的30%～50%,我國(guó)研發(fā)的中短程大型客機(jī)C919采用的復(fù)合材料占全機(jī)的30%左右，以及正在研發(fā)的C929復(fù)合材料的比重將會(huì)超50%。 隨著大型民用客機(jī)C919研制成功，這標(biāo)志著我國(guó)的航空工業(yè)將會(huì)進(jìn)入一個(gè)新的階段和高度，航空工業(yè)必將蓬勃迅猛發(fā)展。但是我

16、國(guó)航空復(fù)合材料研制發(fā)展慢、基礎(chǔ)薄、實(shí)驗(yàn)技術(shù)落后的現(xiàn)實(shí)是不容否認(rèn)的，與國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)仍然存在些許差距。我們現(xiàn)在仍然要已學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)技術(shù)為主，發(fā)展自己的技術(shù)水平，才能提高我們的飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)。 2 設(shè)計(jì)目標(biāo)與設(shè)計(jì)要求制定 2.1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則 2.1.1 鋪層設(shè)計(jì)原則 在一般的情況下，設(shè)計(jì)員應(yīng)當(dāng)按下列層合板鋪層設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便取得性能較好的層合板、降低層合板的耦合效應(yīng)和制造難度。然而不是所有的情況都能夠遵循這些設(shè)計(jì)原則，某些情況下（比如層合板非常薄或者結(jié)構(gòu)承載的方向性非常明確），可能所有的原則都無(wú)法遵循，因此需要設(shè)計(jì)員在設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮并根據(jù)具體情況決定如何應(yīng)用

17、這些原則。 一般情況下，鋪層在層合板厚度的中面兩側(cè)對(duì)稱分布。其主要目的是為了避免層合板的耦合效應(yīng)和固化變形。如果完全對(duì)稱無(wú)法做到，那么應(yīng)當(dāng)盡量將非對(duì)稱的鋪層布置在靠近中面的位置上，這樣可以降低由于不對(duì)稱引起的耦合變形。如圖 21所示 圖 21 對(duì)稱鋪層 2.1.2 鋪層比例 原則上，一個(gè)層合板各個(gè)方向的鋪層都要存在，比例應(yīng)該在8%到67%之間。這主要是為了防止層合板的泊松比過(guò)大，如圖 22所示。 圖 22比例鋪層 纖維方向沿主應(yīng)力方向布置； 工程上常用的纖維方向?yàn)?°，45°、-45°和90°，0°方向沿平面主載荷方向布置； 選擇結(jié)構(gòu)最有效率的方案，比如采用夾層

18、板承載彎矩； 設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)考慮制造工藝限制因素； 作為一般的設(shè)計(jì)原則，對(duì)于自動(dòng)鋪帶的制造方式，材料要選用單向帶； 設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮修理問(wèn)題，比如考慮緊固件的替換修理。 2.2 層合板設(shè)計(jì) 一般情況下，所有的層合板都應(yīng)該源于其中對(duì)稱面鋪設(shè)，存在拉伸與彎曲耦合的層合板應(yīng)該避免。如果剪切載荷或剪切剛度是設(shè)計(jì)中的主要考慮因素，那么大部分的材料應(yīng)與縱軸成±45°鋪設(shè)，因?yàn)檫@樣可以提供最高的剪切性能。但是在計(jì)算該層合板的縱向或橫向載荷時(shí)必須特別小心，因?yàn)樵谶@兩個(gè)方向上的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度非常低。當(dāng)純使用±45°鋪層時(shí)，這類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在0°和90°方向的正應(yīng)力可能會(huì)超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，這在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般是

19、不會(huì)出現(xiàn)的，因此，承載結(jié)構(gòu)中加入足夠數(shù)量的0°和/或90°是必不可少的。 設(shè)計(jì)人員根據(jù)復(fù)合材料的各向異性性質(zhì)選擇合適的鋪層方向，可以得到更經(jīng)濟(jì)有效的結(jié)構(gòu)。這是在近三個(gè)月結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是無(wú)法辦到的。在確定層合板鋪層順序時(shí)，應(yīng)該注意的事項(xiàng)： （1） 層合板應(yīng)對(duì)稱鋪設(shè)，而且應(yīng)保持總體均衡以避免拉-扭耦合。均衡意味著對(duì)于層合板的每一個(gè)+45°鋪層存在必須有一個(gè)—45°鋪層。對(duì)稱要求鋪層的順序關(guān)于中面成鏡像對(duì)稱鋪設(shè)。 （2） 鋪設(shè)順序嚴(yán)重影響彎曲剛度鋪設(shè)順序嚴(yán)重影響彎曲剛度進(jìn)而影響層合板的彎曲行為。一個(gè)四邊有支持的高長(zhǎng)寬比平板 當(dāng)它的90°和（或）± 45°鋪層布置在外表面及其附近時(shí)會(huì)有最高的屈曲強(qiáng)度

20、；而一個(gè)寬柱形結(jié)構(gòu)，當(dāng)其0°鋪層布置在外表面及其附近時(shí)它的屈曲強(qiáng)度最高 （3） 靠近膠結(jié)接頭的鋪層應(yīng)該鋪設(shè)在與載荷平行的方向上，沿垂直載荷的方向鋪設(shè)鋪層合板使接頭的強(qiáng)度最小。 （4） 相鄰鋪層之間夾角應(yīng)盡量不大于60°（編織布除外）。兩個(gè)相鄰的鋪層夾角大于60°時(shí)，鋪層在固化時(shí)會(huì)應(yīng)力產(chǎn)生裂紋，會(huì)降低結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。 （5） 如果可能，應(yīng)避免出現(xiàn)連續(xù)90°的鋪層成組，可用0°或±45°鋪層把它們分開（0°為主要載荷方向）、以減小層間剪切應(yīng)力和正應(yīng)力。 （6） 外表面層應(yīng)該連續(xù)，并為45°鋪層（而不是0°或90°鋪層）。 （7） 如果可能，鋪層掉層設(shè)計(jì)應(yīng)該相對(duì)于層合板中面對(duì)稱。 （8）

21、 所有的層合板在0°，±45°以及90°方向的增強(qiáng)體（纖維）體積含量不得低于10%。 2.3 夾層板結(jié)構(gòu) 由兩層面板，粘接膠膜和芯子組成夾層結(jié)構(gòu)，盡管在有些情況下不需要粘接膠膜（例如，當(dāng)使用泡沫芯時(shí)）。為（面板+芯子+面板）結(jié)構(gòu)，本論文以蜂窩作為芯子進(jìn)行機(jī)翼蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 2.3.1 面板 每一個(gè)面板的層壓板結(jié)構(gòu)必須滿足實(shí)體層壓板的一般原則，盡管不是貫穿整個(gè)夾層結(jié)構(gòu)。夾層結(jié)構(gòu)的配置形式取決于這種結(jié)構(gòu)的制造方法： （1） 未固化的面板 + 芯子 + 未固化的面板； （2） 固化的面板 + 芯子 + 未固化的面板； （3） 固化的面板 + 芯子 + 固化的面板。 當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)夾層的面

22、板時(shí)，一些準(zhǔn)則應(yīng)當(dāng)遵守： （1） 必須至少有兩種纖維方向存在； （2） 與芯子接觸的鋪層和最外面的鋪層必須連續(xù) （3） 不滲透的膜（常常所知的“Tedlar”）需要鋪放在真空袋的一側(cè)以防止水的滲透。盡管如此，這種膜在損壞后是不起作用的。 （4） 對(duì)于鋪層陡坡，一旦出現(xiàn)在芯子區(qū)域，應(yīng)該根據(jù)圖 23所示的例子，在第一個(gè)鋪層陡坡開始前，至少要有10mm的距離；從這點(diǎn)起，鋪層的典型形式就可以應(yīng)用了。如圖 23所示 圖 23芯子鋪層邊示意圖 當(dāng)鋪設(shè)這樣的材料時(shí)，當(dāng)將這種材料的經(jīng)面或緯面與夾層接觸時(shí)有些輕微的差別，因?yàn)樵谶@兩個(gè)方向上性能是有一些小的差別。關(guān)于這一點(diǎn)，有兩個(gè)慣例： 強(qiáng)

23、度取兩值中的較小者來(lái)簡(jiǎn)化制造工藝。將經(jīng)向和緯向相對(duì)于中面都對(duì)稱，包括芯子的厚度。在這種情況下，經(jīng)向要在設(shè)計(jì)文件（圖紙，模型，等等）中標(biāo)明，以便于制造部門正確應(yīng)用。 在有些情況下，應(yīng)用環(huán)氧樹脂密封邊緣是一種習(xí)慣，有些增加最后的噴漆，其它情況下，僅僅是噴漆而沒(méi)有密封。這些慣例應(yīng)用于已經(jīng)存在的不同元件，作為“有效的方法”已經(jīng)被報(bào)告過(guò)。 2.3.2 芯子 對(duì)于夾層板結(jié)構(gòu)來(lái)講，有許多不同類型的芯子，這取決于構(gòu)造形式（六邊形蜂窩，過(guò)度拉伸的，…）和材料（阿基米德，紙，…）。最常用的是阿基米德蜂窩芯子（常常所知道的Nomex），六邊形的格子，用芬醛樹脂預(yù)浸。 （1）當(dāng)設(shè)計(jì)夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，下面的這些要點(diǎn)要

24、應(yīng)用到芯子的設(shè)計(jì)中。選擇芯子的帶子方向（平行于蜂窩格子的拉伸方向）平行于板的主要載荷方向。如圖 24所示 圖 24蜂窩方向示意 （2）為了保證適當(dāng)?shù)倪^(guò)度，一個(gè)最小20mm的半徑必須被應(yīng)用。當(dāng)角度比較小時(shí)（例如，50），半徑問(wèn)題可以忽略，可以不需要半徑。圖 25所示 （最小） 圖 25蜂窩邊角過(guò)渡 （3）蜂窩邊的錐度應(yīng)有一個(gè)200±50會(huì)導(dǎo)致一個(gè)最小1.5mm的高度。（見(jiàn)圖2.2.3.2.2）；盡管這個(gè)1.5mm是一個(gè)很好的慣例，在“Nomex”六角形芯子（阿基米德）的情況下，在制造上是很難達(dá)到的，并且可能會(huì)留下刀邊。角度達(dá)到450是有可能達(dá)到的，盡管它們可能需要特殊的

25、制造注意，并且設(shè)計(jì)需要與制造進(jìn)行檢查。當(dāng)角度大于450時(shí)，固化時(shí)會(huì)有問(wèn)題（例如，蜂窩格子倒塌），需要采取特殊的措施； (4)當(dāng)需要一個(gè)較大的角度時(shí)，一個(gè)面板可能要被預(yù)先固化以避免角上的問(wèn)題（見(jiàn)圖 26）。另外避免蜂窩格跨塌的一個(gè)方法是用共固化的方案，在角上部位增加澆注混合物（樹脂），如圖 27所示 圖 26蜂窩直角邊處理示意 圖 27蜂窩斜角處理示意 l 對(duì)于密實(shí)結(jié)構(gòu)的泡沫，由于加工困難，最小的厚度必須達(dá)到4mm ，用300±50的角度去切邊，（見(jiàn)圖 28所示） 圖 28 l 在芯子有一個(gè)開口的情況下（例如，為了安裝一個(gè)嵌入件），下面所顯示的是兩個(gè)慣例并在現(xiàn)

26、在應(yīng)用的兩個(gè)件： 2 一個(gè)是用于擾流片，是一個(gè)嵌入在蜂窩芯中的碳纖維復(fù)合材料管，用膨脹膠膜和泡沫粘接，如圖 29所示： 圖 29蜂窩嵌入結(jié)構(gòu)示意 如果只使用注入件，需要在孔的周圈至少有兩個(gè)完整的蜂窩格，如圖 210所示 2 圖 210蜂窩填充示意 2.3.3 防水保護(hù) 取決于不同的面板材料，當(dāng)鋪層厚度，樹脂含量，等不同時(shí)，要求防水的面板的構(gòu)成形式也是不同的。下面所顯示的是一些現(xiàn)在所用的慣例。 （1）厚度tp=0.25mm的織物預(yù)浸料：為了避免水的侵入，在模具一側(cè)的層壓板至少要有三層；在真空袋一側(cè)，要有2層加上不滲透的膜（Tedlar）。要說(shuō)明的是，Tedlar只能用

27、于未固化的層壓板，不能用于已固化的。 （2）厚度tp=0.35mm的織物預(yù)浸料：為了避免水的侵入，在模具一側(cè)的層壓板至少要有2層；在真空袋一側(cè)，要有2層加上不滲透的膜（Tedlar）。 在A380的前緣，是單向帶和織物的混合使用，一層單向帶（對(duì)接）和一層織物（搭接）。面板是已固化好的，然后與芯子共膠接。在有些情況下（例如前起落架的門），Tedlar膜已證明太弱了，在表面上的任何損傷都能破壞它的防水質(zhì)量。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一種“防水膠膜”被插在層壓板和芯子之間，如下圖所示。這種方案表現(xiàn)出比Tedlar膜更好的防水效果，盡管在防水膠膜和層壓面板之間由于需要增加粘接層而會(huì)使重量增加。如圖 21

28、1所示 圖 211 2.4 開口設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 由于使用安裝、維護(hù)的要求，機(jī)體上必須設(shè)置各種大小不一的開口如，各類檢查維修用艙口。在一些構(gòu)件上，如梁、肋、框的腹板上可能需要開有操縱系統(tǒng)或其他系統(tǒng)的通道、電纜的通過(guò)孔。在承力蒙皮上每開一個(gè)口，都需要加強(qiáng)其周圍結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，以便為載荷傳遞提供適當(dāng)?shù)穆窂?。開口處最大的問(wèn)題可能是拐角的倒角，尖倒角會(huì)造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，造成飛機(jī)結(jié)構(gòu)破壞，因此開口的結(jié)構(gòu)必須補(bǔ)強(qiáng)。 布置開口，首先必須根據(jù)飛機(jī)布局和使用、維護(hù)、修理的要求來(lái)考慮。應(yīng)使其重量增加盡量少，這就要使開口區(qū)的構(gòu)件布置及補(bǔ)強(qiáng)措施受力比較有利，為此希望開口的位置盡量處于結(jié)構(gòu)受力較小的部位，開口盡

29、量少，尺寸盡量小開口的形狀引起的應(yīng)力集中系數(shù)盡量小些，最好放在外形面比較平直的部位以利于減小補(bǔ)強(qiáng)附加的增重和便于結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)，同時(shí)補(bǔ)強(qiáng)措施應(yīng)力求使制造和裝配增加的工作量盡量少?？傊挥羞M(jìn)行綜合設(shè)計(jì)才能得到效率高、較為經(jīng)濟(jì)的滿意設(shè)計(jì)，由于開口大小對(duì)結(jié)構(gòu)的影響及補(bǔ)強(qiáng)的措施的不同，可以按小、中、大三中情況進(jìn)行開口區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 2.5 中、小開口的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 這種情況在梁、框腹板上開通過(guò)孔，或在薄蒙皮上開檢查口等，其影響是局部的。此時(shí)應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成圓形，以便應(yīng)力集中系數(shù)較低。這類小開口一般在孔邊用口框加強(qiáng)令圈。口框可用法蘭盤式加強(qiáng)環(huán)；也可以采用組合式，用環(huán)形型材和四周的型材共同形成一個(gè)框架。在彎矩最大

30、的四個(gè)角上布置斜支撐筋條，以防蒙皮受壓屈曲，框架區(qū)內(nèi)的蒙皮也要適當(dāng)?shù)募雍? 2.5.1 大開口的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 對(duì)剖面上具有相對(duì)尺寸較大的開口，在計(jì)算結(jié)構(gòu)剖面的特征時(shí)就必須計(jì)及開口的影響。這就意味著，大開口對(duì)整個(gè)剖面都會(huì)有影響，而不僅僅是影響開口周圍的局部區(qū)域。如果開口非常大，則一部分剪力將由一部分剪力由鄰近的梁緣條組成的框架承受，因此梁緣條承受軸向載荷的能力將降低。若梁緣條必須承受很高的軸向載荷，這些剪力的影響就必須加以考慮。 3 機(jī)翼總體布局 機(jī)翼由機(jī)翼主體（上蒙皮、下蒙皮前梁、后梁、端部加強(qiáng)肋、普通肋）、襟翼、副翼、翼梢小翼組成。結(jié)構(gòu)如圖 31所示 圖 31機(jī)翼總體結(jié)構(gòu)圖 3

31、.1 機(jī)翼主體結(jié)構(gòu) 機(jī)翼主體結(jié)構(gòu)由機(jī)翼上蒙皮、下蒙皮、機(jī)翼骨架(梁、肋)組成，蒙皮采用編織布與單向帶混合加蜂窩結(jié)構(gòu)；機(jī)翼骨架均為雙向碳纖維編織布加單向帶混合層合板結(jié)構(gòu)。機(jī)翼骨架如圖 32所示 圖 32機(jī)翼骨架結(jié)構(gòu) 機(jī)翼上蒙皮與機(jī)翼梁和肋采用共膠接方式固化，為控制固化成本與成品質(zhì)量固化可采用中溫固化，溫度120°C～150°,0.3MPa。 圖 33機(jī)翼共固化結(jié)構(gòu)示意（蒙皮為上蒙皮） 3.2 蒙皮設(shè)計(jì) 機(jī)翼蒙皮為機(jī)翼的氣動(dòng)面主要承受剪切力，大飛機(jī)蒙皮鋪層比例可為［40,50,10］%～［30,60,10］%，無(wú)人機(jī)蒙皮比較薄，可以不用完全遵從這要求。因?yàn)橐ＷC機(jī)翼氣動(dòng)外

32、形面光滑，表面質(zhì)量好，所以蒙皮的外表面作為鋪貼面，采用陰模模具鋪貼。為了防止外界水汽進(jìn)入蜂窩夾層引起結(jié)構(gòu)變壞，在蒙皮內(nèi)表面添加一層Tedlar膜，在P2層處增加一層樹脂密封。蒙皮的鋪層信息如圖 34，表 31所示。 圖 34蒙皮鋪層結(jié)構(gòu)示意 表 31蒙皮鋪層信息 序號(hào) 材料牌號(hào) 材料類型 鋪層角度 P1 T300 斜紋預(yù)浸布 45° P2 T300 斜紋預(yù)浸布 -45° P3 T700 單向預(yù)浸布 0° P4 T700 單向預(yù)浸布 45° P5 T700 單向預(yù)浸布 45° P6 T700 單向預(yù)浸布 0° P7 T3

33、00 斜紋預(yù)浸布 -45° P8 T300 斜紋預(yù)浸布 45° 3.2.1 機(jī)翼上蒙皮設(shè)計(jì) 機(jī)翼上蒙皮長(zhǎng)為2900mm，在機(jī)翼弦長(zhǎng)的25%處斷開為上蒙皮前邊，在機(jī)翼弦長(zhǎng)的55%處斷開為機(jī)翼上蒙皮的后邊。，與機(jī)翼骨架的連接處厚度為1mm;中間處設(shè)有蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，肋#1—肋#7為機(jī)翼載荷較大的區(qū)域蜂窩夾層板處厚度為5mm,肋#7-肋#8為過(guò)渡區(qū)蜂窩夾層板處厚度為3mm,肋#8-肋#11為機(jī)翼載荷較小的區(qū)域，為編織布T700材料，厚度0.8mm。如圖 35所示 圖 35上蒙皮結(jié)構(gòu)示意 表 32上蒙皮材料信息 零件 材料 單層厚度mm 重量kg 復(fù)合材料面板

34、 T700單向預(yù)浸布、T300斜紋預(yù)浸布 0.1 1.834 蜂窩 JY2-4.8-32-10 0.1 1.042 總重量 2.876 3.2.2 機(jī)翼下蒙皮設(shè)計(jì) 機(jī)翼下蒙皮長(zhǎng)2900mm,機(jī)翼前緣與上蒙皮為一整體，在機(jī)翼弦線的25%處斷開做下陷，上蒙皮下表面搭接在下蒙皮上表面膠接。與機(jī)翼骨架的連接處厚度為1mm，前緣肋間蒙皮厚度為0.8mm蜂窩1-蜂窩4厚度為5mm,蜂窩5厚度為3mm,肋#9-肋#11處不設(shè)蜂窩，厚度為0.8mm。下蒙皮底部設(shè)置有3個(gè)開口，開口1為機(jī)翼與機(jī)身之間安裝和維修窗口；開口2為機(jī)翼與襟翼安裝維修窗口；開口3為機(jī)翼與副翼安裝維修窗口。如圖

35、36所示 圖 36下蒙皮結(jié)構(gòu)示意 表 33下蒙皮材料信息示意 零件 材料 厚度mm 重量kg 復(fù)合材料面板 T700單向預(yù)浸布、T300斜紋預(yù)浸布 0.1 2.6 蜂窩 JY2-4.8-32-10 0.1 1.125 總重量 3.725 3.3 機(jī)翼梁設(shè)計(jì) 翼梁由梁緣條和腹板組成。翼梁是機(jī)翼的主要承載和傳遞載荷元件，主要承受剪力和彎矩。復(fù)合材料翼梁設(shè)計(jì)45°、-45°鋪層的比例較高，一般采用［30,60,10］%～［40,50,10］范圍內(nèi)的鋪層比例。 1. 前梁 翼梁設(shè)計(jì)大致可以分為梁的凸緣設(shè)計(jì)、梁腹板設(shè)計(jì)和凸緣與腹板結(jié)合的部位細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)以

36、及梁凸緣與機(jī)體的連接設(shè)計(jì)。前梁為C型碳纖維夾層結(jié)構(gòu)，C型開口朝向后緣，陽(yáng)模鋪貼，腹板肋間設(shè)夾層。長(zhǎng)度為2924mm，始于機(jī)翼-機(jī)身平面，終于機(jī)翼-翼梢小翼平面。最大高度113mm,最小處為55mm,端頭緣條、腹板厚度為3mm漸變到2.4mm、1.6mm到尾部為0.8mm。根部下緣條寬45mm漸變至梢部25mm,上緣條寬75mm漸變至梢部45mm。梁與肋翻邊采用膠接，與蒙皮采用膠接。如圖 37所示 圖 37前梁結(jié)構(gòu)示意 2. 后梁 后梁為C型碳纖維夾層結(jié)構(gòu)，C型開口朝向前緣，陽(yáng)模鋪貼，腹板肋間設(shè)夾層，長(zhǎng)度2905mm,始于機(jī)翼-機(jī)身平面，終于機(jī)翼-翼梢小翼平面。最大高度65mm，最

37、小高度為35mm，端頭緣條、腹板厚度2.6mm，漸變?yōu)?.0mm、1.4mm到尾部為0.8mm。根部緣條寬如圖 38所示。 圖 38前梁結(jié)構(gòu)示意 3. 襟翼輔助梁 襟翼輔助梁為C型碳纖維夾層結(jié)構(gòu)，C型開口朝向襟翼，陽(yáng)模鋪貼。長(zhǎng)1234mm,腹板最大高度37mm,最小高度29mm,緣條寬度15mm,厚度1mm。如圖 39所示 圖 39襟翼輔助梁示意 4. 副翼輔助梁 副翼輔助梁為C型碳纖維夾層結(jié)構(gòu)，C型開口朝向襟翼，陽(yáng)模鋪貼。長(zhǎng)1040mm,腹板最大高度27mm,最小高度22mm,緣條寬度15mm,厚度1mm。如圖 310所示。 圖 310副翼輔助梁示意

38、表4-7翼梁重量 零件 材料 重量kg 前梁 T700單向預(yù)浸布、T300斜紋預(yù)浸布 1.606 后梁 T700單向預(yù)浸布、T300斜紋預(yù)浸布 0.887 襟翼輔助梁 T700單向預(yù)浸布、T300斜紋預(yù)浸布 0.114 副翼輔助梁 T700單向預(yù)浸布、T300斜紋預(yù)浸布 0.064 總重量 2.671 3.4 機(jī)翼肋設(shè)計(jì) 機(jī)翼共有11組肋，一組肋分為前肋、中肋、后肋。9組普通肋，結(jié)構(gòu)為C型開口朝機(jī)身方向；兩組為加強(qiáng)肋，結(jié)構(gòu)為工字型分別位于肋#3、肋#11。采用T300斜紋預(yù)浸布材料設(shè)計(jì)，翼肋位置示意，如圖4-8所示 圖4-8翼肋位置示意圖 3.

39、4.1 前肋 普通肋前肋緣條20mm,厚度為1.6mm,腹板厚度為1.6mm在肋腹板中開口半徑為23mm減重圓孔穿線，在其周圍有10mm寬的增強(qiáng)墊圈，厚度為2.0mm,腹板與緣條處有倒圓角。陽(yáng)模鋪貼。c型肋結(jié)構(gòu)如圖 311所示。 加強(qiáng)肋為工字型緣條寬度為40mm,厚度為1.6mm,在腹板上有開口半徑為23mm,邊緣有加強(qiáng)圈，工字型肋如圖 312所示。 圖 311前肋C型結(jié)構(gòu)示意圖 圖 312前肋工字型加強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意 3.4.2 中肋 中肋緣條20mm,厚度1.6mm，腹板上有3個(gè)開口，開口周邊有加強(qiáng)圈。中肋前緣與前梁內(nèi)腹板膠接，后緣緣條與后梁內(nèi)腹板膠接，肋上

40、下緣條與蒙皮膠接。肋與梁緣條接觸處有過(guò)渡，陽(yáng)模鋪貼。結(jié)構(gòu)如圖 313所示。 圖 313中肋結(jié)構(gòu)示意 3.4.3 后肋 后肋，為開口朝機(jī)身處C型肋緣條寬度20mm,厚度1.6mm。肋前緣與后梁外腹板膠接，上下緣條與蒙皮膠接，后肋#4、肋#5、肋#6后緣與襟翼輔助梁外表面膠接；后肋#8、肋#9與副翼輔助梁外腹板膠接，如圖 314所示 圖 314機(jī)翼后緣肋示意 4 設(shè)計(jì)不足 由于論文設(shè)計(jì)時(shí)間的限制，接觸到復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)間短暫，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，本文還有很多需要完善的地方。本設(shè)計(jì)是使用現(xiàn)有大型無(wú)人機(jī)左機(jī)翼進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只討論了蒙皮結(jié)構(gòu)、梁結(jié)構(gòu)和肋結(jié)構(gòu)，還有很多地方?jīng)]有考

41、慮清楚，缺乏強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)校核，還有很多缺陷。本設(shè)計(jì)只是初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只符合機(jī)翼的結(jié)構(gòu)建?？紤]，要想實(shí)際運(yùn)用，還得經(jīng)過(guò)強(qiáng)度計(jì)算和詳細(xì)設(shè)計(jì)。 5 結(jié)論 5.1 工作總結(jié) 本文利用在實(shí)習(xí)中所工作的的無(wú)人機(jī)機(jī)翼外形，利用CATIA進(jìn)行三維建模。對(duì)復(fù)合材料對(duì)于機(jī)翼結(jié)構(gòu)的影響展開了研究。對(duì)比分析了傳統(tǒng)金屬材料機(jī)翼與現(xiàn)代復(fù)合材料機(jī)翼的區(qū)別，以及在設(shè)計(jì)復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)時(shí)所要遵循的一些原則，并進(jìn)行了機(jī)翼整體數(shù)模建設(shè)。主要工作如下： （1） 劃分機(jī)翼總體結(jié)構(gòu)布局（劃分上、下蒙皮，前梁、后梁位置、各肋間距）； （2） 確定梁、肋的結(jié)構(gòu)形式和成形方式； （3） 確定蒙皮的結(jié)構(gòu)和連接方式； （4） 簡(jiǎn)單闡述復(fù)

42、合材料結(jié)構(gòu)的鋪層方式 （5） 本論文在研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)研究復(fù)合材料不同方向的鋪層對(duì)結(jié)構(gòu)不同承載能力影響，力求設(shè)計(jì)最合適的鋪層方式，使得結(jié)構(gòu)重量最輕。 結(jié)論：使用復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)合理的鋪層方式可以保證結(jié)構(gòu)的承載能力，可以有效降低機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量。由于復(fù)合材料的各向異性，目前在主要的連接件還得使用金屬材料設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在民用飛機(jī)或無(wú)人機(jī)已經(jīng)大范圍使用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是飛機(jī)具有先進(jìn)性的標(biāo)準(zhǔn)，飛機(jī)所使用復(fù)合材料的含量越高飛機(jī)越先進(jìn)。 5.2 工作展望 從目前航空復(fù)合材料發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)將會(huì)逐步替換傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)，飛機(jī)上的使用比例將會(huì)逐步提高。復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)

43、構(gòu)是我在實(shí)習(xí)期間接觸到的第一份工作，在實(shí)習(xí)過(guò)程中也充分認(rèn)識(shí)了復(fù)合材料對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性，對(duì)于一個(gè)航空學(xué)院，畢業(yè)后想在飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展的我來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料的性能是必須要熟悉掌握的。雖然在實(shí)習(xí)的過(guò)程中是比較累的，但是每次都能學(xué)到新的知識(shí)，不斷的擴(kuò)展自己的知識(shí)儲(chǔ)備量提高自己的見(jiàn)識(shí)，滿滿的收獲感使我覺(jué)得即便在累也是值得的。復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的使用量不斷提升，復(fù)合材料飛機(jī)已成為一種趨勢(shì)。學(xué)好復(fù)合材料對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員是十分重要的，這將使我們能更好的把握飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。學(xué)好復(fù)合材料知識(shí)對(duì)即將走出校門的我來(lái)說(shuō)，也不再感到迷茫，也更加堅(jiān)定自己心中的信念。 參考文獻(xiàn)

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