复合材料机翼盒段的设计、模态分析和试验.doc

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1、复合材料机翼盒段的设计、模态分析和试验随着第三代以及新一代先进歼击机的研制，机翼柔度越來越大，重量越來越轻，颤振边界离飞机包线越來越近。某机翼模型根据相似理论设计，按1：7的比例进行缩比，并考虑风洞因子的作用，导出刚度比为1：122500,采用金属材料已不可能制造出缩比模型，必须研制一种低模量的材料，寻找新的结构相似颤振模型的设计、制造方法。本文见复合材料设计技术与结构相似设计结合，将研制出的低模量复合材料，应用与复合材料机翼盒段模型的设计制造。采用山特种纤维毡与树脂制成的低模量复合材料，其拉伸模量在4Gpa左右，设计、制造机翼盒段模型，对其进行模态分

2、析，并进行了模态分析，验证了设计方法的止确性,为解决在低速风洞中实现高速飞机机翼颤振试验的技术问题奠定了基础。1机翼盒段的设计与模态分析III盒段是机翼模型上的一部分，它的结构及几何尺寸如图1所示，按机翼的结构形式，设计梁、肋、蒙皮同时模拟飞机的外形和刚度分和，机翼的受力形式和传力路线都与真实结构相似。盒段的设计依据是刚度等代设计，用复合材料层合板结构取代原來的各向間性金属结构并保证复合材料结构取代原结构吋的结构刚度相等，为保持结构和传力的相似，机翼盒段山3根梁、5根肋和上下蒙皮组成，中间梁为工字型。两边为槽型，中间3根肋为工字型,前后为槽型。以承弯刚

3、度和扭转刚度相似为依据，进行刚度等代设计，即保证复合材料结构与原金属结构缩比模型的臼和圉相等，它们分别表征截面的承弯刚度和抗扭刚度，其中,E为材料的杨氏模量；I为截面的轴惯性矩；Q为闭室截面而积的两倍；s为沿闭室的自然坐标；G为材料的剪切模量；t为材料厚度。图1盒段及在机翼上位置（单位：mm）为了和真实结构的质量相似，在盒段上附加配重，配重分布如图2所示，根据刚度相似和质量相似的计算，建立有限元模型，进行模态分析，为了检验质量变化対模态的影响,建立了2个有限元模型，使用了2种不同的配重方案，相应的试验盒段也完成了2个，分别称作盒段1和盒段2.10(10

4、10"2?25图2模型的集中质量分彳J（单位：g）2机翼盒段的制造根据刚度相似和质量相似的分析接他，采用研制出的低模杲复合材料，制造试验所需的2个盒段。盒段结构包括3种基本结构部件：工字梁（肋），槽型梁（肋）和蒙皮，制造时,根据设计的几何参数，分别制造这3种结构件，然后将英连接，构成整个盒段结构，工艺过程包括模具制造、结构部件制造以及各结构部件之间的连接。首先根据设计图纸制造模具，模具是各结构部件制造的依据，需要准备加工，才能确保个结构部件的儿何形状和尺寸。梁和肋的剖而有工字型和槽型2种,它们的模具如图4所示。图4模具结构剖面图模具制造完成后，在模具上

5、涂覆脱模剂，把特种纤维毡加工成所需形状，根据设计厚度，在模具表而铺设所需层数；按照低模量复合材料的体积比均匀的涂树脂，然后在表而加模具盖板，紧固、加压，在術温下固化。待模具里的结构固化后，脱模，进行修边、打磨,并校核尺寸。各结构部件都制造完成之后，需要将它们按照対应的关系连接起来，构成一个完整的盒段结构,而梁与肋的相互胶接是盒段制造的关键。根据结构形状，胶接前要进行如下处理:在梁与肋的交叉部位，将肋的两端缘条向内侧磨去与梁缘条宽度相同的尺寸，裸出腹板，在交接处插接，用胶固定连接处；再用树脂和特种纤维毡在连接处加固，胶接，待树脂固化后,便成为梁架结构，根

6、据前而的计算结果，将配重铅块粘接到梁架结构上；将制备好的蒙皮和梁架结构进行表而打磨，清洗干净。在梁架缘而和蒙皮相应位置涂覆树脂，先将而蒙皮置于梁架结构上，加圧、固化。待树脂固化后翻转，采用同样的方法胶接另一面蒙皮。树脂全部固化后，对盒段进行表面和边缘打磨、修止。这样，盒段就制造完成，如图5所示，可以进行模态试验了。因为要进行模态试验，所以在盒段的一端加了一小段铝梁，模拟盒段的边界条件，将來进行试验吋，该铝梁将用來固定盒段。图5盒段结构3结论本文把复合材料设计技术与结构相似设计结合，按飞机的机翼的结构形式，用梁、肋和蒙皮同时模拟它的外形和刚度分布，采用研

7、制出的低模量复合材料，应用于复合材料机翼盒段颤振模型设计制造，采用复合材料整体成型技术，制造变高度和变厚度的工字型或槽型梁和肋，突破以往用矩形剖而金属梁传力不相似的局限，使机翼盒段颤振模型同时实现结构动力学相似与传力相似。建立了一-套新的、先进的和完報的复合材料机翼盒段低速颤振模型一体化设计的工程研究方法，为在低速风洞中实现高速飞机机翼颤振试验的技术问题提供了解决方案。