復(fù)合材料副翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

張佳佳

摘 要：飛機(jī)副翼的結(jié)構(gòu)性能對(duì)其飛行性能有著至關(guān)重要的影響。對(duì)于飛機(jī)副翼的性能而言，材料的選擇非常重要。由于復(fù)合材料具有輕量化、高強(qiáng)度等特點(diǎn)，目前在飛機(jī)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。因此，探討了復(fù)合材料機(jī)副翼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的解決對(duì)策，以供參考。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；飛機(jī)副翼；主梁；六面體實(shí)體單元

中圖分類號(hào)：V224 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.097

1 復(fù)合材料副翼結(jié)構(gòu)的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 復(fù)合材料骨架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在復(fù)合材料骨架的概念設(shè)計(jì)中，通常需要依據(jù)副翼外形的實(shí)際尺寸建立整體模型，并在此基礎(chǔ)上劃分為設(shè)計(jì)域、非設(shè)計(jì)域兩個(gè)部分。其中，設(shè)計(jì)域主要包括副翼肋板所在空間，主要以六面體實(shí)體單元填充；非設(shè)計(jì)域主要包括主梁，上、下蒙皮和后緣緣條，主要采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。副翼概念設(shè)計(jì)中的有限元模型如圖1所示。

圖1 副翼概念設(shè)計(jì)中的有限元模型

1.2 復(fù)合材料肋板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

應(yīng)先優(yōu)化復(fù)合材料肋板，并將副翼肋板按照1～6的順序編號(hào)。其中，1～4號(hào)肋板的大小必須相同，5號(hào)和6號(hào)肋板的大小必須相同。為了更好地開展優(yōu)化構(gòu)型的設(shè)計(jì)和加工，應(yīng)在實(shí)際優(yōu)化過(guò)程中進(jìn)一步對(duì)肋板設(shè)計(jì)區(qū)進(jìn)行“模式重復(fù)”約束，即將相同的構(gòu)型運(yùn)用到大小一致的助板中；將1號(hào)肋板的設(shè)計(jì)區(qū)設(shè)定為主設(shè)計(jì)區(qū)，2～4號(hào)肋板的設(shè)計(jì)區(qū)設(shè)定為1號(hào)肋板的從設(shè)計(jì)區(qū)，并在5號(hào)和6號(hào)肋板設(shè)計(jì)區(qū)內(nèi)將5號(hào)肋板設(shè)置為主設(shè)計(jì)區(qū)，6號(hào)肋板的設(shè)計(jì)區(qū)為5號(hào)助板設(shè)計(jì)區(qū)的從設(shè)計(jì)區(qū)。在此情況下，無(wú)論6種肋板設(shè)計(jì)域是否具有一致的邊界條件、采用相同的網(wǎng)格劃分，都可確保其在從設(shè)計(jì)區(qū)上形成一種與主設(shè)計(jì)區(qū)結(jié)構(gòu)模式相同的優(yōu)化效果。此外，為了更好地保證剛度，必須將副翼翼梢頂部節(jié)點(diǎn)的位移控制在50 mm以內(nèi)，促使其可通過(guò)最小的質(zhì)量結(jié)構(gòu)，從而有效開展優(yōu)化計(jì)算工作。

2 復(fù)合材料蒙皮的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在飛機(jī)的副翼結(jié)構(gòu)中，副翼蒙皮最主要的作用為承受飛機(jī)轉(zhuǎn)向、降落時(shí)的迎向氣流載荷。同時(shí)，作為飛機(jī)機(jī)翼的重要組成部分，在飛機(jī)平飛過(guò)程中通常會(huì)承擔(dān)一定的升力載荷。其中，金屬骨架與蒙皮間主要利用鉚釘連接，而蒙皮與主梁、加強(qiáng)接頭間則多采用螺栓連接，且其通常會(huì)分別選用截面面積不同的PBAR單元模擬。此外，對(duì)于復(fù)合材料層合板而言，常選用四種鋪設(shè)角，即0°、±45°、90°進(jìn)行相關(guān)鋪設(shè)，而副翼結(jié)構(gòu)中的上、下蒙皮通常被設(shè)計(jì)成兩個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)域，但在這兩個(gè)設(shè)計(jì)域中，均采用單一分區(qū)的方式為后續(xù)各優(yōu)化過(guò)程提供充足的優(yōu)化空間，確保每個(gè)超級(jí)層的厚度都具備合適的初始尺寸。為了消除熱變形翹曲和減小內(nèi)應(yīng)力，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)采用工程中常用的對(duì)稱鋪層設(shè)計(jì)，因此，其剛度系數(shù)β為0.

2.1 蒙皮的概念設(shè)計(jì)

在進(jìn)行蒙皮的概念設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用自由尺寸的優(yōu)化方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步將具有相同鋪設(shè)角的所有鋪層劃分為一個(gè)超級(jí)層，再以每個(gè)單元超級(jí)層的實(shí)際厚度作為主要的設(shè)計(jì)變量。此外，在實(shí)際優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)限定復(fù)合材料用量為50%，并將載荷工況下的最大剛度結(jié)構(gòu)作為基本的優(yōu)化目標(biāo)。為了確保最終設(shè)計(jì)結(jié)果的可制造性，需要從蒙皮的概念設(shè)計(jì)階段開始加入合理的制造約束。當(dāng)自由尺寸的優(yōu)化完成后，可獲得上、下蒙皮各自的厚度分布，再在此基礎(chǔ)上根據(jù)各個(gè)超級(jí)層的實(shí)際厚度將其解析為4種不同形狀的鋪層塊。

2.2 蒙皮的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行蒙皮的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，被采用最多的是尺寸優(yōu)化方法，即將形狀不同的鋪層塊的厚度尺寸作為設(shè)計(jì)變量，從而獲取各種形狀鋪層塊的最佳厚度、確定各種類型鋪層塊的實(shí)際鋪設(shè)層數(shù)。一般而言，在自由尺寸優(yōu)化階段形成的各種可制造性約束會(huì)在該階段被自動(dòng)繼承下來(lái)，并在尺寸優(yōu)化階段繼續(xù)發(fā)揮作用。為了更好地保證設(shè)計(jì)的可信度，需要相關(guān)工作人員及時(shí)為其引入金屬結(jié)構(gòu)屈服約束和復(fù)合材料的失效約束，從而有效避免因結(jié)構(gòu)失效而產(chǎn)生的破壞作用。比如，通過(guò)選用Tsai-Wu失效準(zhǔn)則，可有效防止載荷工況下復(fù)合材料層合板中單層失效問(wèn)題的發(fā)生，并將金屬結(jié)構(gòu)上的最大應(yīng)力限制在所用鋁合金的屈服極限（462 MPa）以內(nèi)。

2.3 蒙皮的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

當(dāng)獲得各種角度和各種形狀鋪層塊的實(shí)際鋪設(shè)層數(shù)后，需要全面優(yōu)化實(shí)際鋪層的層疊次序，并在此基礎(chǔ)上，打亂、重排之前兩個(gè)優(yōu)化階段中形成的一系列鋪層，最終的結(jié)果可直接應(yīng)用于實(shí)際加工指導(dǎo)工作中。

3 結(jié)論

綜上所述，針對(duì)復(fù)合材料的實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料的副翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更深層次的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)。從設(shè)計(jì)結(jié)果可見(jiàn)，該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可滿足相關(guān)要求，且飛機(jī)減重明顯，值得在設(shè)計(jì)實(shí)踐中進(jìn)一步推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]丁玲.全復(fù)合材料無(wú)人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2014.

[2]周磊，萬(wàn)志強(qiáng)，楊超.復(fù)合材料壁板鋪層參數(shù)對(duì)大展弦比機(jī)翼氣動(dòng)彈性優(yōu)化的影響[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2013（05）.

〔編輯：張思楠〕