弯扭耦合复合材料机翼气弹剪裁优化设计研究

作     者：张宝升 

作者单位：陕西理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王军利;刘文帅

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：复合材料机翼 弯扭耦合效应 双向流固耦合 多级优化 气动弹性剪裁 

摘      要：近年来,为降低结构重量,提高续航里程,飞机普遍采用轻质复合材料使得机翼柔度相比传统机翼增大,导致气动弹性中几何非线性问题更加突出。本文利用复合材料层合板刚度可设计性,构建具有弯扭耦合效应的机翼,开展弯扭耦合复合材料机翼气弹剪裁优化设计研究,控制机翼的弯扭耦合弹性变形,降低机翼结构重量。研究工作如下: (1)构建弯扭耦合复合材料机翼参数化几何模型,基于夹芯板理论提出弯扭耦合复合材料机翼等效分析模型建立方法,研究分析模型控制方程数值求解方法,结果表明控制方程的四自由度微分求积法求解方法可靠。 (2)基于CFD/CSD双向流固耦合提出几何非线性静气动弹性数值模拟方法,设计复合材料层合板铺层方案,研究复合材料机翼不同铺层区域、铺层角度对机翼几何非线性气动弹性的影响。研究表明90°铺层可提高层合板的抗拉、抗剪性能,增大翼尖铺层区域中90°铺层比例,机翼翼尖最大变形减小。 (3)根据不同铺层区域、不同铺层角度下机翼几何非线性弹性变形规律,确定初始铺层方案中铺层区域与铺层角度变量。分析不同攻角、马赫数下复合材料机翼几何非线性静气动弹性变形,反向研究静气动弹性变形对机翼纵向气动特性的影响,确定弯扭耦合复合材料机翼优化求解的弹性变形及升力系数约束条件。 (4)建立弯扭耦合复合材料机翼结构重量两级优化策略,基于多学科优化平台,首先采用梯度法以最大弹性变形为约束,对复合材料机翼铺层厚度进行优化。其次采用近似模型法以升力系数为约束,对弯扭耦合复合材料机翼铺层旋转角优化。优化后弯扭耦合复合材料机翼结构减重26.7%,翼尖最大变形减小47.6%。