本文關(guān)鍵詞：復(fù)合材料無人機機翼結(jié)構(gòu)的輕量化優(yōu)化研究

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【摘要】：在無人機的研發(fā)制造上,機翼是無人機無法缺少的傳力和承力組件,對整機的性能影響及其重要,且其結(jié)構(gòu)質(zhì)量的減重研究是一項重大難題。無人機機翼結(jié)構(gòu)上復(fù)合材料的應(yīng)用,不僅能達到顯著的結(jié)構(gòu)減重效果,還能有效提高無人機機翼結(jié)構(gòu)的整體性能。本文采用單目標驅(qū)動多變量綜合作用的優(yōu)化方法對機翼結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,采用分步式方法對復(fù)合材料機翼部件進行鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,以期達到機翼結(jié)構(gòu)減重及提高機翼整體性能的目標。本文主要的研究工作及成果如下:(1)通過對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計特點、機翼結(jié)構(gòu)形式、機翼設(shè)計原則以及機翼結(jié)構(gòu)外載情況的分析,進行了機翼結(jié)構(gòu)的總體布局、機翼翼型的選取和初始設(shè)計參數(shù)的確立,建立了NACA2412翼型、薄蒙皮、雙翼梁多肋板式機翼結(jié)構(gòu)模型。(2)在ANSYS Workbench的平臺上,采用目標驅(qū)動優(yōu)化設(shè)計方法,對機翼結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計,分析了各設(shè)計變量對優(yōu)化目標及機翼性能的影響。結(jié)果表明:初始機翼符合設(shè)計要求,但存在很大的優(yōu)化空間;蒙皮厚度、前后翼梁的寬度及其厚度對機翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量和整體性能影響程度較大;優(yōu)化后的機翼相比于優(yōu)化前的設(shè)計方案,機翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕了64%,結(jié)構(gòu)效率提高了79%,達到了很好的優(yōu)化效果。(3)采用分步式方法對碳纖維機翼部件進行鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。采用單因素分析方法對蒙皮夾芯結(jié)構(gòu)的上下面板厚度和蜂窩芯層厚度進行優(yōu)化設(shè)計分析,繼而對蒙皮上下面板的鋪層角度進行優(yōu)化設(shè)計;采用遺傳算法對翼梁和肋板層合板結(jié)構(gòu)的鋪層順序進行優(yōu)化設(shè)計,繼而對翼梁和肋板層合板結(jié)構(gòu)的任意角度鋪層進行優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明:優(yōu)化后的機翼符合設(shè)計要求;相比于優(yōu)化前的機翼,機翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕了33%、機翼結(jié)構(gòu)強度增強28%,機翼結(jié)構(gòu)剛度增強17%,機翼最大Tsai-Wu失效因子降低38%,優(yōu)化效果極好,提高了機翼結(jié)構(gòu)的整體性能。通過對機翼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及機翼部件鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,機翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量總共減重高達76%,且相比于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后的機翼,有效提高了機翼結(jié)構(gòu)的整體性能,為工程應(yīng)用提供了實則性的指導(dǎo)。
【關(guān)鍵詞】：機翼結(jié)構(gòu) 復(fù)合材料 輕量化 優(yōu)化設(shè)計 有限元分析
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V279
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-18
• 1.1 無人機的發(fā)展現(xiàn)狀11-13
• 1.1.1 無人機概述11-12
• 1.1.2 國內(nèi)外無人機的發(fā)展狀況12-13
• 1.2 復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用13-16
• 1.2.1 復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用現(xiàn)狀13-15
• 1.2.2 復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計的研究現(xiàn)狀15-16
• 1.3 課題研究的意義16
• 1.4 本文的研究內(nèi)容16-18
• 第二章 機翼結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計18-32
• 2.1 機翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計依據(jù)18-21
• 2.1.1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計特點18
• 2.1.2 典型機翼結(jié)構(gòu)形式18-19
• 2.1.3 機翼結(jié)構(gòu)設(shè)計原則19-21
• 2.2 機翼結(jié)構(gòu)的外載分析21-25
• 2.3 機翼結(jié)構(gòu)的總體布局設(shè)計25-28
• 2.3.1 無人機設(shè)計要求25-26
• 2.3.2 機翼總體布局的初步選擇26
• 2.3.3 機翼結(jié)構(gòu)選材26-28
• 2.4 機翼結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計28-31
• 2.4.1 翼型的選擇28-29
• 2.4.2 機翼初始設(shè)計參數(shù)的確定29-30
• 2.4.3 機翼幾何模型30-31
• 2.5 本章小結(jié)31-32
• 第三章 機翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析32-46
• 3.1 機翼結(jié)構(gòu)的有限元分析32-39
• 3.1.1 有限元模型化的簡化原則32-33
• 3.1.2 定義接觸類型33
• 3.1.3 劃分網(wǎng)格33-35
• 3.1.4 載荷及邊界條件35
• 3.1.5 機翼結(jié)構(gòu)的有限元分析35-39
• 3.2 機翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析39-43
• 3.2.1 機翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計39-40
• 3.2.2 靈敏度分析40-42
• 3.2.3 優(yōu)化結(jié)果及分析42-43
• 3.3 結(jié)構(gòu)效率評估43-45
• 3.3.1 結(jié)構(gòu)效率定義43-44
• 3.3.2 結(jié)構(gòu)效率的計算方法44
• 3.3.3 評估機翼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案44-45
• 3.4 本章小結(jié)45-46
• 第四章 碳纖維機翼部件鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計46-71
• 4.1 復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)46-50
• 4.1.1 層合板理論基本假設(shè)46
• 4.1.2 經(jīng)典層合板理論46-47
• 4.1.3 層合板失效準則47-49
• 4.1.4 層合板設(shè)計原則49-50
• 4.2 蒙皮夾芯結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化50-60
• 4.2.1 面板及芯層的厚度優(yōu)化50-55
• 4.2.2 面板碳纖維鋪層角度優(yōu)化55-59
• 4.2.3 蒙皮夾芯結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化結(jié)果分析59-60
• 4.3 翼梁及肋板層合板結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化60-70
• 4.3.1 碳纖維鋪層順序優(yōu)化60-65
• 4.3.2 碳纖維任意角度鋪層優(yōu)化65-69
• 4.3.3 翼梁及肋板層合板結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化結(jié)果分析69-70
• 4.4 碳纖維機翼部件鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析70
• 4.5 本章小結(jié)70-71
• 第五章 總結(jié)與展望71-73
• 5.1 總結(jié)71-72
• 5.2 展望72-73
• 參考文獻73-77
• 致謝77-78
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文及專利情況78

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