复合材料机翼气动弹性剪裁综合研究

刘钢 孙宪学
中国一航飞机强度研究所十室,陕西西安710065

文章摘要:研究了铺层厚度、铺层比例、铺层主方向角和厚度多项式对机翼气动弹性性能的影响，利用COMPASS分别对复合材料直机翼、三角翼和前掠翼3种机翼布局进行了位移、频率、发散和颤振速度约束下的气动弹性剪裁设计，获得了不同铺层参数下的优化设计结果。算例计算结果表明，采用多种设计形式能够充分挖掘复合材料使用的潜力，有效地改善机翼的气动弹性性能。
文章主题:复合材料 气动弹性剪裁 COMPASS

文章内容：复合材料机翼气动弹性剪裁综合研究刘钢孙宪学(中国一航飞机强度研究所十室,陕西两安70065)摘要:研究了铺层厚度,铺层比例,铺层主方向角和厚度多项式对机翼气动弹性性能的影响,利用分别对复合材料直机翼,三角翼和前掠翼3种机翼布局进行了位移,频率,发散和颤振速度约束下的气动弹性剪裁设计,获得了不同铺层参数下的优化设计结果.算例计算结果表明,采用多种设计形式能够充分挖掘复合材料使用的潜/』,有效地改善机翼的气动弹性性能.关键词:复合材料;气动弹性剪裁;1引言复合材料气动弹性剪裁的提出首先归功于复合材料在前掠翼中的应用.前掠翼飞机虽具有良好的机动行性能,但机翼易出现气动弹性发散问题,要提高机翼的发散速度,就要增加结构的重量.1973年,对复合材料前掠翼进行了分析,证明气动弹性剪裁能提高前掠翼的发散速度,有效地避免机翼发散,而且机翼的重量要比同样的铝机翼轻.的,作推动了人们对复合材料气动弹性剪裁的全面研究工作,从此复合材料的可设计性被丁机翼气动弹性剪裁的各个方面(图1).本文以为结构分析和优化平台,对复合材料直机翼,三角翼和前掠翼三种机翼布局进行了静力,振动,颤振和发散分析,以铺层厚度,铺层比例,铺层主方向角和厚度多项式为没计变量,综合研究了其对结构响应(变形,频率,颤振速度和发散速度)的影响,获得了比较好的结构气动弹性剪裁设计结果.2机翼铺层主方向角剪裁'复合材料蒙皮安装到机翼骨架上时,是沿着某个主方向铺设,通常把0度纤维与铺层坐标系的夹角定义为主方向角0(如图2),其他角度的铺层以这个方向为基准进行铺设.主方向角的不同会产生不同的层合板刚度,从而影响结构响应.通过对主方向角合理地设计,便可以获得比较优异的气动弹性性能.收稿1期:2006年11月6_?53?图1气动弹性剪裁在机翼结构上的应用图2铺层主方向定义向主刚度结构参考轴层主方向常规布局机翼(图3)在气动载荷的作用下,产生弯曲变形的同时会引起前缘低头的外洗,翼尖会有较大的变形,且极易发生颤振破坏.因此,改善机翼气动弹性性能的途径是选择合理的铺层主方向,提高机翼的弯扭刚度,使机翼出现有利的内洗变形,抑制产生颤振的不利扭转,降低翼尖位移,增加振动频率.?54?图3常规式布局机翼有限元模型从铺层主方向与层合板刚度之间的关系,响,通过优化的方法可以选择合理的角度值,的位移,扭角,频率和颤振速度变化.^瑚捃霉翅可以看出它对结构的气动弹性变形有很大的影综合调整各种结构响应.图4给出了不同角度图4结构响应随主方向的变化后掠机翼的颤振是机翼设计的关键问题,可以采用优化的方法对其进行改善,表1为单独优化颤振速度时各设计点的约束值和最优值.表1各设计点颤振速度3多项式变量优化在机翼概念设计和初步设计阶段,根据气动总体参数的要求,需要迅速给出满足约束(刚度,强度,气动弹性等)的结构设计,确定蒙皮,梁肋腹板厚度及突缘,长桁面积等.采用以多项式函数描述的优化设计,可用少量的变量确定结构设计参数,快速得出设计方案.现以机翼蒙皮为例,按内翼,中翼和外翼划分为三个区域,每个区域的元素由层合板表示(图5所示).图5蒙皮分块对任一结构分区内的板元不同角度铺层的厚度,可采用完全三次多项式描述.为简化处理,取与板平面相重合的自然坐标系—来定义,即:(,)=+++4+++7.+++矿式中:,——形心坐标;1,...1——,义设计变量;卜一板的厚度.上式为局部坐标系下的完全三次多项式,也可以采用线性或二次多项式表示厚度.图6给出了两种简单的分布形式.()等值分布()线性分布图6厚度分布情况板厚可采用以下公式计算:㈦=[础)式中:=,,...,.;?56?——为转换矩阵,其系数不随设计变量而改变,由结构离散点的总体坐标确定.住进行有限元分析时,对每个元素选定其形心为参照点,按照参照点的坐标确定板元素的厚度.以某二角翼为例,采_多项式方法对蒙皮厚度进行优化.机翼的骨架为金属材料,蒙皮为复合材料层合板,铺层形式,[/90/45/一45.住设计过程中,定骨架内元素尺寸不动,只对蒙皮的厚度进行优化.层合板每个角度的铺层厚度采次完全多项式表示.(,1/)=+2+3/+4+577+61/.考虑厚度多项式表示后,机翼变形和颤振性能的变化,优化问题如:最小化结构重量约来()颤振速度&;=530/()翼尖位移&;=13()厚度'-限=0.05层合板四个角度铺层厚度和总体厚度的分布情况如图6所示.从7厚度分布情况可以看山,由于机翼根部对结构刚度贡献最人,冈此0度铺层厚度的增加对降低结构弯曲变形常明显:颤振速度的提高源丁结构丰转刚度的增加,机翼中部靠近后缘的止负45度铺层厚度的增大能够产生这样的效果:而90度铺层由丁与主传力路径卣,不能承担很人的载荷,厚度的最优解为限,这是比较合理的优化结果.,<>,,,<>.]/,,,:,,(0…一()90.铺4一/,/'45.铺层?57?5前掠翼气动弹性剪裁前掠翼模型(图8)为蒙皮一骨架式多墙结构.蒙皮为复合材料,骨架为铝合金结构.在剪裁研究中,只调整复材蒙皮铺层参数,采对称均衡/非均衡两种铺层形式.5.1不同铺层比例与主方向角对机翼性状的影响主翼面蒙皮板厚度为2.5,三个舵面蒙皮板厚度为1.5,先按等比例铺层计算(每个角度的分层比例各占1/4),然后在层压板总厚度和主方向角不变的情况下,.调整内外翼的铺层比例.计算表明,增加0.铺层比例,弯曲刚度提高,位移降低;增加±45.铺层,扭转刚度提高.45.为主铺层时,刚度趋丁前缘,引起1.75.正扭转,发散速度较大.-45.为主铺层时,主刚度趋于后缘,引起2.36.的正扭转,发散速度较小.图9展示了铺层主方向角0对结构性状的影响变化情况.在_4.040.范围内,随着+的增大,翼尖位移,颤振速度和发散速度.均在发生变化,在0=20.附近,,.达到最大或较大值,而达到最小或较小值.这与国外报导的类似研究结果规律一致.此时.比主方向角为0.时提高了5.6%.这表明,在结构重量不增加情况下,通过旋转铺层主方向角,即可提高前掠翼的发散速度.?58?图8前