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某无人机机翼断裂力学分析

某无人机机翼断裂力学分析

作者：郭远帅南昌航空大学

学位级别：硕士

本文主要对无人机机翼结构的应力强度因子进行求解分析。无人机结构材料的应力强度因子是进行后续无人机结构断裂力学研究的基础，而国内外对无人机断裂力学的研究较少，所以求解无人机机翼结构的应力强度因子具有很强的现实意义和应用... 详细信息

本文主要对无人机机翼结构的应力强度因子进行求解分析。无人机结构材料的应力强度因子是进行后续无人机结构断裂力学研究的基础，而国内外对无人机断裂力学的研究较少，所以求解无人机机翼结构的应力强度因子具有很强的现实意义和应用意义。本文立足于工程实际，对无人机机翼的静强度进行了计算，并针对机翼的不同结构，求解了其应力强度因子，其目的是为无人机机翼结构的后续断裂性能研究提供分析方法和数据，为结构选型提供基础数据。本文分为绪论、断裂力学理论、无人机机翼结构建模及气动载荷分析、无人机机翼的静强度分析、无人机断裂力学分析及总结与展望六个部分。通过分析求解,得到机翼主要结构肋板、蒙皮和大梁结构的应力强度因子。论文的主要工作有：1）对无人机机翼结构进行强度分析时，依照某型号无人机机翼的结构图纸，采用Catia建立无人机机翼模型;然后，运用Fluent分析了机翼的气动载荷，并运用ANSYS Workbench中的流固耦合方法计算了机翼各部件的应力。2）对无人机机翼结构进行断裂力学分析时，分别计算了肋板、圆管大梁和蒙皮结构的应力强度因子。对肋板结构分别选用穿透裂纹、深埋裂纹和表面裂纹三种裂纹形式进行应力强度因子计算，其中，穿透裂纹采用有限元方法，深埋裂纹和表面裂纹采用解析法;对大梁结构选用孔边角裂纹的形式，采用能量差率法计算其应力强度因子;对蒙皮结构选用穿透裂纹的形式，采用估算法计算了其应力强度因子。研究工作可以为后来的无人机结构强度分析和断裂力学的深入研究提供参考。

关键词：无人机机翼应力强度因子机翼静强度流固耦合裂纹

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无人机机翼模态分析与结构优化设计

河南科技 2023年第10期42卷 48-53页

作者：廖耀青浙江安防职业技术学院浙江温州325016

【目的】为避免无人机飞行中出现严重的气动弹性问题,针对无人机机翼刚度分布设计不合理之处,开展无人机机翼模态分析与结构优化设计。【方法】基于正交试验设计提出一种基于模态分析的机翼变截面结构布局轻量化设计研究方案。【结果】... 详细信息

【目的】为避免无人机飞行中出现严重的气动弹性问题,针对无人机机翼刚度分布设计不合理之处,开展无人机机翼模态分析与结构优化设计。【方法】基于正交试验设计提出一种基于模态分析的机翼变截面结构布局轻量化设计研究方案。【结果】基于无人机机翼有限元仿真模型,开展机翼约束模态仿真分析,发现机翼在翼梁、翼肋等方面需要进行尺寸优化设计,进而改善机翼刚度。并提出一种变截面翼梁结构,通过TOPSIS方法进行排序获取了最优解。结果表明,优化后的机翼结构质量降低34%,机翼约束模态频率得到极大改善。【结论】通过模态分析开展无人机机翼结构优化设计,可在满足刚度合理分布的同时,大幅度降低机翼总质量。

关键词：无人机机翼模态分析 TOPSIS 结构优化

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无人机机翼用复合材料的胶接与性能研究

合成材料老化与应用 2023年第5期52卷 81-84页

作者：胡江苏菠广西警察学院广西南宁530200

为了提升无人机机翼用碳纤维/铝复合材料的胶接强度,采用4因素5水平的正交试验法对超声振动胶接工艺参数进行了优化,并与传统未施加超声振动的胶接接头进行了对比。结果表明,超声振动胶接工艺中对胶接强度影响最大的是振动时间,其次为... 详细信息

为了提升无人机机翼用碳纤维/铝复合材料的胶接强度,采用4因素5水平的正交试验法对超声振动胶接工艺参数进行了优化,并与传统未施加超声振动的胶接接头进行了对比。结果表明,超声振动胶接工艺中对胶接强度影响最大的是振动时间,其次为振动幅值,振动位置的影响最小;正交试验结果表明,碳纤维/铝胶接接头的最佳工艺参数为A3B5C3D5,即振动时间23 s、振动压力0.40 MPa、振动位置30 mm和振动幅值56μm,此时碳纤维/铝胶接接头胶接强度最大。相较于未施加超声振动的胶接接头,正交优化工艺下胶接接头的最大拉伸荷载平均值提高42.13%,胶接强度平均值提高41.59%。

关键词：无人机机翼碳纤维正交试验法胶接工艺胶接强度

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某无人机机翼肋板断裂力学分析

科技与企业 2014年第4期 267-268页

作者：王海鹏吴永东南昌航空大学飞行器工程学院

本文立足于工程实际,对无人机机翼的静强度进行了计算,并针对机翼的肋板,求解了其应力强度因子,得到了裂纹长度与应力强度因子的关系。随着裂纹的增长,应力强度因子不断增长,结构最终破坏失效。本文目的是为无人机机翼结构的后续断裂性... 详细信息

本文立足于工程实际,对无人机机翼的静强度进行了计算,并针对机翼的肋板,求解了其应力强度因子,得到了裂纹长度与应力强度因子的关系。随着裂纹的增长,应力强度因子不断增长,结构最终破坏失效。本文目的是为无人机机翼结构的后续断裂性能研究提供分析方法和数据,为结构选型提供基础数据。

关键词：无人机机翼应力强度因子机翼静强度流固耦合裂纹

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基于矩方法的无人机机翼可靠性分析

机械制造 2011年第11期49卷 20-22页

作者：蒋武根姜年朝宋军周光明张逊戴勇总参六十所南京210016 南京航空航天大学航空宇航学院南京210016

基于极限状态函数矩估计可靠度方法,计算了具有隐式极限状态函数的某型无人机机翼的可靠性。该方法通过求解具有隐式极限状态函数的机翼翼尖最大变形的前四阶矩,并利用可靠度与极限状态函数矩的关系求解出了该无人机机翼的可靠度。

关键词：无人机机翼复合材料可靠性隐式结构矩方法

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载运无人机机翼的研究与设计

科技视界 2018年第28期 23-24页

作者：朱小利唐桂林安徽邮电职业技术学院安徽合肥230031

本文通过分析空气动力学方面的知识和常用方法,对无人机机翼结构进行设计。本设计包括无人机机翼部分平面结构的选择、无人机机翼内部结构的设计以及无人机机翼梁的设计与校核。设计过程中,要保证设计出的机翼有足够的强度和刚性,在无... 详细信息

本文通过分析空气动力学方面的知识和常用方法,对无人机机翼结构进行设计。本设计包括无人机机翼部分平面结构的选择、无人机机翼内部结构的设计以及无人机机翼梁的设计与校核。设计过程中,要保证设计出的机翼有足够的强度和刚性,在无人机飞行过程中要能保持机翼形状,以免影响气动性能;另外还要满足质量轻、机件连接方便、生存力强、成本低、维护方便等特点。

关键词：无人机机翼空气动力学机翼梁的设计与校核

火星环境下含沙气流对无人机翼型气动性能的影响机理研究

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火星环境下含沙气流对无人机翼型气动性能的影响机理研究

作者：刘志捷哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来，随着我国航天事业的飞速发展，火星成为了我国下一个深空探测的目标，然而传统的火星无人车难以满足对火星深度探测的需求，因此火星无人机的构想应运而生。火星上低密度低压强的环境导致飞行器难以飞行，并且火星上常有大风并... 详细信息

近年来，随着我国航天事业的飞速发展，火星成为了我国下一个深空探测的目标，然而传统的火星无人车难以满足对火星深度探测的需求，因此火星无人机的构想应运而生。火星上低密度低压强的环境导致飞行器难以飞行，并且火星上常有大风并伴有高浓度的沙尘暴，会对飞行器的气动性能产生不利的影响。为了研究火星环境下含沙气流对飞行器气动性能的影响机理，本文采用数值模拟方法对剖面为NACA0012翼型的三维固定翼和等弦长无扭转旋翼进行研究。固定翼流动工况为火星环境下的亚声速和跨声速流动，气固两相流动采用DPM（DiscretePhaseModel）模型对颗粒和流体之间进行双向耦合计算。主要研究内容和结论如下：　　（1）在三维固定翼亚声速翼面绕流流场中，颗粒的加入使翼段升力降低，阻力增加。这是由于颗粒经过翼段表面时，与翼段上下表面流体进行剧烈的动量交换导致上表面流体压力增加，下表面流体压力降低。颗粒冲刷翼段表面边界层，使其分离、转捩延后，再附提前，这些反过来又影响翼段的气动性能。颗粒粒径越小、浓度越大，对翼段气动性能的影响越大。　　（2）在三维固定翼跨声速翼面绕流流场中，颗粒的加入使翼段升力、阻力均增加。这是由于在跨声速流动工况下时，翼段上下表面激波界面前均为超声速流动，颗粒经过该区域时与流体发生动量交换导致上下表面流体压力均增加，颗粒对翼段下表面的碰撞更剧烈导致上下表面压差增加，升力增加。颗粒粒径越小、浓度越大，翼段升力、阻力增加的幅度越大。　　（3）在旋翼流场中，采用DPM中的离散元模型（DiscreteElementMethod，DEM）计算颗粒与颗粒、颗粒与流体、颗粒与桨叶之间的相互作用。研究发现，颗粒有三种主要的运动方式对桨叶的气动性能产生影响：旋翼流场涡环的存在导致颗粒被不断地卷吸至桨盘上方再进入桨盘，沿轴向对桨叶有冲刷作用;高速旋转的桨叶与颗粒之间发生切向的碰撞作用;由于离心力的作用，颗粒径向运动使桨尖涡的强度减弱，影响桨叶表面压差。　　本研究将低雷诺数和含沙两种流动工况进行结合以模拟火星环境，研究成果具有较强的工程价值，可为火星无人机的研制提供一种新思路和理论支撑。

关键词：无人机机翼火星环境气固两相流层流分离低雷诺数气动性能

单向及双向流固耦合方法在无人机翼的应用分析

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应用科技 2022年第4期49卷 70-78,91页

作者：刘基海易阅城谢科宋雨雨龙怡行郭东四川航天系统工程研究所四川成都610100

为研究某大展弦比无人机机翼在大攻角下的流固耦合特性,基于计算流体力学模型(CFD)和结构有限元模型(FEM)建立了复合材料机翼单向及双向流固耦合分析方法。首先利用Workbench中复合材料前处理模块(ACP)建立复合材料结构机翼三维模型以... 详细信息

为研究某大展弦比无人机机翼在大攻角下的流固耦合特性,基于计算流体力学模型(CFD)和结构有限元模型(FEM)建立了复合材料机翼单向及双向流固耦合分析方法。首先利用Workbench中复合材料前处理模块(ACP)建立复合材料结构机翼三维模型以及机翼的流场分析模型并完成大攻角下机翼绕流分析,进行预应力模态分析;然后分别采用CFX-Static Structure和CFX-Transient Structure模块进行流场与机翼的单向稳态流固耦合与单向瞬态流固耦合分析;最后采用双向弱耦合的方法研究了结构动响应特性与气动弹性稳定性,并与单向流固耦合方法作比较。研究表明:单向定常稳态结果相对于瞬态分析结果更加保守;用单向耦合方法求解获得的结果校核机翼结构强度较双向耦合分析是偏于安全的;双向耦合可获得更近似的数值解。本文研究对选取流固耦合领域分析方法具有一定参考意义。

关键词：大展弦比无人机机翼流固耦合模态分析绕流分析结构动响应气动弹性稳定性强度校核

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复合材料机翼结构拓扑—尺寸联合优化设计

复合材料机翼结构拓扑—尺寸联合优化设计

作者：朱路明浙江大学

学位级别：硕士

复合材料具有高比强度、高比模量等优势,随着加工工艺和可靠性的不断改善,在航空航天结构中的使用率越来越高,特别是在中小型无人机中的应用非常广泛,很多采用了全复合材料机体结构。为了进行无人机结构的轻量化设计,本文在查阅拓扑优... 详细信息

复合材料具有高比强度、高比模量等优势,随着加工工艺和可靠性的不断改善,在航空航天结构中的使用率越来越高,特别是在中小型无人机中的应用非常广泛,很多采用了全复合材料机体结构。为了进行无人机结构的轻量化设计,本文在查阅拓扑优化和复合材料结构优化相关资料的基础上,提出了一种针对复合材料结构优化的拓扑-尺寸联合优化策略,首先通过拓扑优化得到结构的布局形式,然后在此基础上建立复合材料结构模型,并对此进行尺寸优化,从而得到优化的复合材料结构。通过复合材料箱型结构的优化算例验证了该优化策略的可行性。基于拓扑-尺寸联合分级优化方法,考虑机翼一般设计要求和工程经验,对某型无人机机翼进行了有限元模型建立及载荷简化,并对其进行了整体结构的优化设计。首先,对机翼内部假设为实心均匀材料的初始模型出发进行拓扑优化分析,得到梁、肋的布局信息;接着,将拓扑优化出的梁、肋采用泡沫夹芯复合材料替换,建立尺寸优化的有限元模型,进行面板不同角度铺层的厚度的优化;最后,进行铺层顺序优化,完成机翼的整体优化设计。比较有无泡沫夹芯情况下机翼优化情况,结果表明泡沫夹芯复合材料优化效果更佳,承载能力更强。对某型带挂载无人机机翼采用上述方法进行了结构优化,根据拓扑优化结果对机翼翼尖进行加强梁和肋设计,得到较显著的减重效果。结合Optistruct软件通过自由尺寸优化、层组尺寸优化及铺层顺序优化完成了带挂载机翼蒙皮的自由尺寸优化设计。三种泡沫厚度情况下的优化结果表明一定厚度的泡沫夹芯有利于在保证强度和刚度的前提下提高减重效果。本文研究方法和结果可为复合材料无人机结构的优化设计提供参考。

关键词：复合材料箱型结构无人机机翼拓扑-尺寸联合优化泡沫夹芯自由尺寸优化