[發明專利]一種復合材料變形翼的計算設計方法

在審

• 申請號: 202010450427.7
• 申請日: 2020-05-25
• 公開（公告）號: CN111723433A
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發明（設計）人: 吳謙
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/17;G06F30/23;G06F30/28;B64F5/00;G06F113/26;G06F119/14
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本發明公開一種復合材料變形翼的計算設計方法、概念以及不同飛機葉片轉速下有小角度鋪層自適應變扭角復合材料葉片。本發明利用多尺度復合材料力學研究有小角度鋪層的葉片在離心力作用下的扭轉和拉伸的耦合關系，提出了新的混合定理和層合理論，再結合有限元法得到葉片的扭轉變形，并采用神經網絡來建立交叉學科之間的聯系。復合材料變形翼可以廣泛的應用在商業和軍用直升飛機機翼以及飛機發動機風扇葉片上。新型葉片隨著轉速不同而自適應的改變葉片的扭角，從而有效改進了葉片在變工況下的空氣動力學性能，改善了固定扭角直升飛機葉片在變工況下扭角不能改變而造成的空氣動力學性能不夠好的問題，提高飛行器變工況的機動性。

技術領域

本發明屬于航空航天技術領域，特別涉及一種復合材料扭轉葉片的設計的方法。

背景技術

在國家重點項目中，提出了對發展航空發動機和燃氣輪機的要求，特別是航 空發動機專項方面的渦扇領域，同時兼顧有一定市場需求的渦槳領域。這些領域 都是中國與西方發達國家有明顯差距的“卡脖子”領域。因此，對直升機機翼的 研究有重大意義，我們也可以以先進國家對直升機葉片的研究方向作為參考來對 直升機機翼進行必要的探索研究，這有助于提升自主設計水平，突破共性關鍵技 術與工程化、產業化瓶頸，提高創新發展能力和國際競爭力，搶占競爭制高點。

隨著科學技術的發展，人們對高性能結構材料的要求越來越高，高性能結構材料的研究與開發是永恒的主題。所謂高性能結構材料是指高比強度、高比剛度、耐高溫、耐腐蝕、抗磨損的結構材料。對動力機械來說，工作溫度愈高，比強度和比剛度要求愈高，效率也愈高，這個時候復合材料就應運而生。復合材料在過去50年的大量應用為航空工業開辟了新的前景，與傳統的金屬結構相比，這些材料有高比強度、高比剛度和設計性能等優點。復合材料廣泛應用于航空航天、石油化工、機械工程、能源、熱力等工程領域。例如圖1某先進型號直升機葉片和發動機的風扇就用到了相當多的復合材料。

復合材料是人們運用先進的材料制備技術將不同性質的材料組分優化組合而成的新材料。同時，很多領域對材料性能的要求不斷提高。傳統的層合復合材料作為結構材料，在剪切強度、抗沖擊性、斷裂韌性等性能上均有弱點，而編織復合材料(見圖2)的這些性能都優于傳統的單向復合材料。

葉片(槳葉)(見圖3)作為飛行器最關鍵的部件之一，其設計優劣決定了飛行器的飛行性能。葉片扭角是直升機旋翼槳葉運動參數中一個主要參數，直接反應了直升機旋翼葉片扭矩和氣動性能。葉片扭曲可以有效的延遲失速。扭葉片可以使得葉根攻角較高，葉尖攻角比較低，這樣葉片產生的升力沿葉片長度方向，更均勻地分布。因此，對直升機葉片扭轉角的分析具有十分重要的研究意義。

在過去的幾十年里，轉子在各種飛行狀態下的高振動和噪聲以及相對較低的性能特性一直是旋翼機氣動領域關注的關鍵問題。各種控制的概念和機制已經被研究作為潛在的工程解決方案來解決這個問題。一個8米長的復合材料葉片，它的扭角通常在15度以內,過分大的扭角會產生較大的顫振和噪音。為了減少顫抖，復合材料葉片可以在進氣邊加配重如圖4所示的玻璃纖維平衡管。直升機旋翼裝置可以繞機翼軸由朝上方與朝前方之間轉動角度，并能固定在所需方向，因此能產生向上的升力或向前的推力。但是直升機旋翼在旋轉過程中，在氣流和結構設計自身旋轉的雙重作用下，旋翼會產生一定的顫振扭轉變形，這種變形會使得復合材料產生熱,從而會極大地減少旋翼的使用壽命，并且產生噪音。

本發明以斯科斯基復合材料葉片S61為研究對象和現有設計研究基礎，首次提出復合材料變形翼的概念以及不同轉速下有小角度鋪層自適應變扭角復合葉片。復合材料變形翼是世界上的一個首創，它是基于世界500強產業鏈內的最先進的技術上的進一步創新，只有在最先進的產業鏈基礎上的創新，才有可能做到產業鏈內的需求牽引。本研究內容的創新之處為：

第一、利用多尺度復合材料力學研究有小角度鋪層(如圖5所示)結構的葉片在離心力作用下的扭曲和拉伸的耦合關系。提出新的適應于小角度鋪層復合材料的混合定理，層合理論和本構關系。