[發明專利]跨音速顫振模型復合材料單梁結構設計及其剛度計算方法

有效

• 申請號: 201110281412.3
• 申請日: 2011-09-21
• 公開（公告）號: CN102354324A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發明（設計）人: 周錚;張瀟;張婷婷;周健斌;竇忠謙;劉亞萌;孫亞軍;孫耀立
• 申請（專利權）人: 中國商用飛機有限責任公司;中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 樓仙英;徐年康

技術領域

本發明涉及一種復合材料單梁結構，尤其涉及一種用于飛機顫振模型風洞試驗的復合材料單梁結構。本發明還涉及用于計算復合材料單梁結構的截面剛度的計算方法。

背景技術

飛機顫振模型主要用在確定飛行器(整體或部件)的顫振臨界速度的試驗中，需要具有與模擬對象相似的動力學特性，這些特性包括：氣動外形、剛度分布、質量分布等等。因而，供試驗用的模型應該滿足空氣動力學、結構動力學和幾何形狀等方面相似律的要求，這些要求內容廣泛，以致顫振模型很難全部滿足。

文獻Optimization?Approach?to?Design?of?Aeroelastic?Dynamically-Scaled?Models?of?Aircraft(10th?AIAA/ISSMO?Multidisciplinary?Analysis?and?Optimization?Conference，30?August-1?September?2004，Albany，Now?York?AIAA?2004-4642)中描述了一種傳統的復合材料單梁結構，其截面形式如圖1所示。這種結構通常是在包覆內核10的矩形殼體20上均勻厚度地鋪設±45度鋪層來模擬截面扭轉剛度，并在矩形殼體20的主要承載面區域30之上再額外地鋪層來控制截面彎曲剛度。這種結構形式的好處在于扭轉剛度與彎曲剛度可以進行相對獨立的剛度設計。但是這種結構形式在工藝的合理性上有一定的局限性，即同一角度的鋪層不得多于4層，以及存在大梁的變截面要求與環形均勻厚度±45度鋪層工藝之間的協調性差等問題。這些問題對于跨音速顫振模型的強度要求、剛度設計都有一定的影響。

因此，現有單梁結構的缺陷在于：傳統的金屬粱結構質量比較大，試驗數據后期需要修正；傳統的復合材料單梁結構以同一角度鋪層連續鋪設，降低了復合材料的強度性能，并且整體的鋪層形式不利于鋪層角度控制與變截面要求的相互協調。

此外，針對現有顫振模型的梁架結構的截面形式及相應的截面尺寸，專利申請CN101894182A中還公開了一種計算方法。然而，該方法僅適用于等模量截面剛度設計，例如該申請中所列舉的幾種截面形式的梁結構。對于上述文獻中額外鋪層的區域設計，或者不同鋪層比的截面區域設計，這種計算方法顯然難以滿足要求。

發明內容

為此，本發明提出一種改進的跨音速顫振模型復合材料單梁結構，通過采用全新的截面形式，解決了鋪層角度控制與變截面要求之間的相互協調問題；同時，通過優化截面各區域上不同角度鋪層的排序，更好地滿足了跨音速顫振模型對于強度的要求，也能更好地實現截面漸變的剛度控制要求。

根據本發明的這一目的，提供了這樣一種跨音速顫振模型復合材料單梁結構，其由非金屬內核材料以及鋪貼于所述內核材料外層的單閉室薄壁殼體構成，其中，所述殼體具有矩形倒圓角的閉合截面形式，并由復合材料以±α度與0度交替鋪設而成，其中，以0度鋪設表示復合材料沿垂直于截面的方向鋪設。

進一步地，根據單梁結構在其截面上的受力情況，將所述閉合截面劃分為主承載區、次承載區和過渡區，其中，所述主承載區的復合材料鋪層以0度鋪層為主，所述次承載區的復合材料鋪層以±α度鋪層為主。優選地，所述±α度為±45度。當然，可以理解的是，在非常規的一些情況下，也可以選擇其他角度。

可選地，所述過渡區的截面形式為四分之一圓或橢圓。

根據一種優選實施方式，所述殼體可由碳纖維增強復合材料鋪層組成，所述內核材料由復合材料泡沫和肋板構成。

針對上述方案中提供的單梁結構的截面形式，本發明的另一目的在于提供一種截面剛度的計算方法，通過該計算方法，能夠快速地獲取實現目標剛度設計的截面尺寸數據。

為此，根據本發明的跨音速顫振模型復合材料單梁結構的截面剛度的計算方法可包括以下步驟：

(1)確定截面控制參數，包括：控制尺寸參數及材料性能參數；

(2)將步驟(1)中確定的截面控制參數輸入到控制運算器中，按照建立的計算模型得出截面彎曲剛度和截面扭轉剛度；

(3)判斷計算得出的截面彎曲剛度和截面扭轉剛度是否滿足目標剛度，若不滿足，改變截面控制參數，重復步驟(1)至(2)，直至滿足目標剛度，結束計算，得到截面最終設計參數。

其中，所述步驟(1)中的截面控制參數包括截面高度H、截面寬度B、倒角半徑R、±α度鋪層數、0度鋪層數、材料的拉壓剪模量等。

進一步地，所述步驟(2)中計算得出的截面彎曲剛度和截面扭轉剛度包括對截面各區域計算值的疊加，即，可將截面分為主承載區、次承載區和過渡區，其中