民用飞机复合材料翼面结构设计优化探究

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1、民用飞机复合材料翼面结构设计优化探究摘要：碳纤维复合材料(CFRP)已成为民用飞机结构的主材料。特别是复合材料在机翼、尾翼结构上的应用，对于民用飞机减轻结构重量，改善飞行品质，降低维护成本,延长使用寿命等方面具有显著效果。该文面向飞机复合材料结构的工程研发，研究并总结了复合材料翼面结构设计与优化的任务、方法及流程。通过算例分析验证了方法的有效性及适用性。关键词：民用飞机复合材料翼面结构设计优化中图分类号：V22文献标识码：A文章编号：1674-098X(2013)04(b)-0082-05随着碳纤维复合材料(CFR

2、P)在民用航空制造领域的应用和发展，出现了以波音B787为代表的先进民用干线飞机进入航线服役。据统计，B787飞机全机结构中复合材料用量占50%,而空客公司正在研发的A350飞机也将达到该水平。碳纤维复合材料具有比强度、比刚度高，力学性能可设计，耐腐蚀，抗疲劳等特点，在民用飞机结构的减重，改善气动弹性特性及操纵品质，延长使用寿命及检修间隔，降低运营成本等方面具有显著意义。与金属结构不同的是，复合材料结构的设计参数除几何尺寸外，还需进行铺层设计。而设计优化正是通过对结构的力学分析，进而设计材料铺层，以改善或强化材料的

3、力学性能。在工程领域，优化属于设计的范畴，也是民机设计的题中之义。近年来，我国航空复合材料的设计和制造能力有了突飞猛进的发展，整个民机产业也积累了大量设计经验，形成了相对体系化的复合材料飞机结构设计准则。基于此，面向工程的复合材料结构设计优化技术已成为民机设计领域研究的重点。1民用飞机翼面结构设计任务描述民用飞机的翼面主要包括：机翼、平尾、垂尾。民用飞机的任务需求及性能包线决定了民机翼面结构均采用升阻比高的大展弦比翼面。因此，民机的翼面结构面临较为突出的气动弹性问题。在工程设计领域中，民机翼面结构按刚度设计，即在保

4、证翼面刚度的情况下，完善翼面结构的静强度、稳定性、疲劳及损伤容限耐久性等方面需求，最终给出满足所有设计需求及约束，且重量最轻的翼面结构设计方案。综合以上论述，复合材料翼面结构的设计优化任务可以表达为：2复合材料翼面结构设计优化方法由于复合材料翼面结构设计优化规模极大，耦合关系复杂，自变量与目标函数、约束方程之间难以进行简单的线性描述，因此，针对以上优化问题通常采用准则法。即将设计约束转化为多个优化准则。利用lagrange乘子法对各准则系数进行计算，寻找满足优化条件的一组自变量，其对应解即为最优解。但是基于以上方法

5、，在工程上仍然难以实现有效、快速的设计优化。原因是复合材料翼面结构的各设计参数之间，以及自变量与准则函数之间存在复杂的耦合关系，难以线性解耦。变量解耦的目的是进行合理的变量连接，提取独立设计变量。工程应用中，往往将复杂的准则函数解耦为简单的尺寸变量区间。以翼面刚度设计为例，翼面结构设计需满足防止翼面发散所需的弯扭刚度，以及防止颤振所需的自振频率要求。而自振频率又与翼面弯扭刚度存在某种函数关系。工程上，通常定义典型翼剖面的弯扭刚度或翼面前、后梁挠曲线作为结构刚度设计指标，即满足该刚度指标可同时满足发散和颤振两方面设计

6、要求。在最终的设计优化流程中，翼剖面弯扭刚度又可简单转化为尺寸变量的设计区间，如：翼面蒙皮的厚度区间，或翼梁缘条的截面积区间等。对于复合材料结构而言，铺层的设计优化同样存在解耦问题，比如，铺层数量、铺层准则与层压板厚度的函数关系。以此为例，工程上可将之分为两步：一.根据手册，设计铺层比例、铺层角及铺层主方向，得到合理的等效模量E、G及泊松比P;二•按照均匀材料的结构进行尺寸优化，并定义尺寸变量及设计变量区间。最后，在结构详细设计阶段，工程师根据尺寸优化的厚度，反向设计铺层数量及排列，并需严格符合步骤一中的材料力学性

7、能。需指出的是，复合材料结构的细节设计目前还无法纳入本文所研究的设计优化流程。因此，详细设计能否贴合初步优化结果的要求，目前阶段很大程度上由工程师的经验及专业技能决定。3复合材料翼面结构设计优化流程在完成变量定义、目标函数定义、及解耦方法定义等工作基础上，需针对复合材料翼面结构的特点制定有效的设计优化流程。以民机水平尾翼复合材料翼盒的设计优化为例，翼盒布置采用常规的密肋式布局。沿展向布置有前、后梁，翼梁之间沿弦向布置肋，上、下蒙皮为复合材料整体加筋壁板构型，如图lo因此，其设计优化流程可以定义为以下步骤：首先，确定

8、翼盒的布置(layoutdesign),并对典型结构的铺层比例进行确定。根据上游设计部门定义的各控制剖面扭转刚度GJ,可以计算得到翼盒蒙皮各剖面间的厚度。依据工程经验，初步确定蒙皮的等效剪切模量及铺层比例。根据外载荷的展向分布，可确定各剖面单位宽度蒙皮上的内力，由此计算各剖面间蒙皮沿弦向的临界失稳宽度，并确定长桁间距及布置。初步定义长桁的等效拉伸模量，及长桁