基于網(wǎng)狀復合材料結(jié)構(gòu)的載重驗證機設(shè)計與試驗驗證

黃盼偉　張鼎宸　徐顯超　盧翔　張祥宏

【摘 要】在大載重航模驗證機研制過程中，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)在動載荷作用下易發(fā)生疲勞破壞。本文提出一種大載重驗證機設(shè)計方案，采用網(wǎng)狀復合材料作為主承力結(jié)構(gòu)，以同時滿足載重、結(jié)構(gòu)壽命和飛行性能要求首先，綜合利用空氣動力學、結(jié)構(gòu)強度和飛機設(shè)計等知識進行大載重驗證機總體設(shè)計，確定驗證機外形和結(jié)構(gòu)布局，并基于AUTOCAD和CATIA軟件給出驗證機外形和結(jié)構(gòu)尺寸。然后利用有限元分析軟件進行復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定合理的鋪層方式。

【關(guān)鍵詞】大載重；網(wǎng)狀復合材料；強度；有限元；結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 前言

本文的研究重點在于飛機的復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，以下從總體設(shè) 計目標、翼型的選用、機翼升阻特性計算以及操縱面設(shè)計和材料的選取，加工流程以及工藝幾項詳 細論述了按照總體設(shè)計指標所進行的詳細理論計算過程。過復合材料制作工藝，對輕木驗證機進行設(shè)計更改，大力地采用復合材料制作工藝，發(fā)揚復合材料的長處，來解決其壽命短、不耐疲勞的問題。

1 總體設(shè)計指標

1.1 機翼設(shè)計參數(shù)

1.1.1 翼型的選擇

翼面是產(chǎn)生升力的主要部件，對飛行性能有很大的影響，所以滿足空氣動力學方面的要求是首要的，除了保證升力外，還要求阻力特別小。載重驗證機機翼所選取的翼型主要是升阻比較大的翼型，則選取CLARK X翼型，

1.1.2 機翼的外形設(shè)計

1.2 機翼結(jié)構(gòu)設(shè)計

機翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計則應保證強度，剛度，以及表面光滑度等方面來保證機翼氣動外形要求的實現(xiàn)，機翼的主要部件包括蒙皮等，氣動載荷將力從蒙皮傳遞給翼梁和腹板，承受機翼彎矩引起的軸力。所以將整塊蒙板用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所有的氣動載荷在很大程度上傳遞給蒙板，整段機翼將會承受彎矩。對機翼起支撐作用的翼梁和翼肋所受的載荷比例將會大大降低。整塊機翼采用碳纖維鋪層，真空袋成型工藝。主要是為了能夠保證原有的外形條件下，減少翼肋的使用，更多的使用碳纖維復合材料作為主要承力結(jié)構(gòu)。

1.3 模具的設(shè)計與加工

1.3.1 模具的材料使用酚醛圧層的膠木板（電木），電木板因具有不吸水，電氣性能佳，機械加工性能好，絕緣，不產(chǎn)生靜電，耐磨耐高溫等優(yōu)良性能，所以特別適合機械模具的加工和制造。

1.3.2 加工方式主要分為粗加工和精加工

（1）粗加主要是采用銑床用銑刀進行雕刻加工，主要目的是刻好所有的初步刀痕。

（2）精加工的主要流程是在原有的粗銑刀痕的基礎(chǔ)上用不同型號的砂紙進行精細打磨

（3）再使用拋光砂進行最后的精磨得到表面極其光滑的模具。

（4）最終得到模具實物

機翼的制作分為上下兩半模和成型，所以模具也應分為上下兩半。按照左右機翼對稱可以得到應該設(shè)計加工四塊模具。

1.4 材料堆疊層數(shù)以及鋪層設(shè)計

主要是以機翼翼展向為基準參考，45度交替鋪層方式為主要鋪層方式。

1.5 碳纖維和玻璃布纖維的鋪層

1.5.1 碳纖維的鋪層主要采用手糊成型工藝，先將脫模劑涂在模具表面，將其揮發(fā)干之后，再將碳纖維按照原有的理論分析方式鋪在模具的外形表面，刷上已經(jīng)按照最佳配比方式進行配比的環(huán)氧樹脂和固化劑的混合物，經(jīng)大量試驗證明環(huán)氧樹脂和固化劑以3：1的比例混合為最佳混合比例。

1.5.2 固化劑的選取以及其參數(shù)

B103環(huán)氧樹脂固化劑是采用聚醚胺改性而成的新型胺類溫室固化劑

2 復合材料機翼設(shè)計制作總體結(jié)論

此復合材料機翼在以上氣動，結(jié)構(gòu)，有限元分析的基礎(chǔ)之上，通過手糊成型法加工工藝制造出符合要求的機翼，對比其他驗證機的制作經(jīng)驗以及成品效果來看，此網(wǎng)狀復合材料結(jié)構(gòu)具有比一般普通機翼耐疲勞，載重大等優(yōu)勢。有效的解決了一般普通飛機容易疲勞，機翼 發(fā)生上反折翼斷裂等缺陷，大大提高了飛行的基本要求，可以在限有的條件下保證機翼的品質(zhì)要求和質(zhì)量。

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[責任編輯：朱麗娜]