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大型飞机U形加筋长桁壁板的结构设计.docx
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大型飞机 U 形加筋长桁壁板的结构设计
摘 要
本论文旨在结合国内外相关的研究成果与复合材料铺层设计的共用原则,使用
CATIA 软件建模设计一种特殊的飞机长桁结构,并且根据强度计算以及工艺部门反馈的
结果来论证该壁板设计的可行性和实用性。
关键词:U 形截面长桁;方向舵壁板;加筋长桁;结构设计;复合材料
Structural Design for Skin with U Shape Stringers
Abstract
This paper aims to use CATIA software to model and design a special aircraft truss structure
based on the research results at home and abroad and the common principle of composite
laminate design, and demonstrate the feasibility and practicability of the panel design
according to the results of strength calculation and process department feedback.
Keywords: Skin with U shape stringers; Rudder Panel; Composites Design
目 录
1 绪论........................................................................1
1.1 本设计的目的、意义及应达到的技术要求..................................1
1.2 课题的研究背景 ........................................................1
1.3 论文研究的主要内容 ....................................................3
2 U 形长桁壁板总体结构设计 ...................................................4
2.1 设计结构原则 ..........................................................4
2.2 复合材料壁板构型的选择 ................................................5
2.3 计算机建模与作图过程 .............................................10
2.4 输出结果 .........................................................17
3 U 形长桁壁板力学分析 ......................................................18
3.1 计算机模型分析 ...................................................18
3.2 输出结果 .........................................................18
4 U 形长桁壁板材料与制造工艺 ................................................19
4.1 工艺性要求设计 ...................................................19
4.2 模具选择 .........................................................19
4.3 其他需要注意的设计 ...............................................19
5 U 形长桁壁板材料与制造工艺 ................................................21
5.1 简述 .............................................................21
5.1 技术原理 .........................................................21
5.2 材料选择 .........................................................22
5.3 制造工艺 .........................................................22
6 结论.......................................................................2
参考文献.....................................................................26
谢辞.........................................................................27
附录.........................................................................28
1
1 绪论
1.1 本设计的目的、意义及应达到的技术要求
从人类历史上第一架飞机“飞行者一号”所采用全木制、桥梁衍架式双机翼,谈不上
有机身的简陋结构,到第一次世界大战时期的悬臂式机翼和硬壳式机身,再到第二次世
界大战前后多种结构井喷式呈现。随着时间推移,二十一世纪以来,世界范围内复合
材料市场飞速增长。在航空领域中,现在大多数的飞机选择采用复合材料来使飞机结
构达到重量更轻、强度更强。
复合材料当然影响了飞机结构的布局。现如今复合材料的成本十分高昂,所以需
要新型的结构形式来使得复合材料在收益方面取得最大化。
1.2 课题的研究背景
1.2.1 飞机结构概念
飞机结构布局在一定程度上取决于所用的结构材料.在确定结构设计方案之前,需要
有备选方案。在某些情况下,有必要比较多种不同材料的设计方案,以便于最终决定采用
哪种材料。飞机结构设计主要考虑的是重量轻,成本低,通常需要权衡这两方面,以获得满
意的设计方案。重量和成本都是材料性能,以及完成结构部件细节制作和装配的生产过
程的函数。因此,最好的方案应该是:当昂贵的轻质材料相关成产成本低于廉价材料,或者
重量因素在全寿命周期内的影响占要导地位时,飞机结构应该采用昂贵的轻质材料制造。
飞机结构采用的两种不同类型基本材料为:金属材料和纤维增强复合材料。
虽然有很多金属材料用于飞行器上,然而用于飞机结构和相关部件中的主要有以下
三类:
(a)铝合金(轻质合金):为了获得合适的飞机结构材料,铝与其他一些金属,
如镁,当然更多的是与锌、铜形成合金。正在研发的铝锂合金是一种重量更轻、强度
更大、刚度更好的材料,但也昂贵得多,而且不易获得。铝合金的密度低,拥有满足
特殊需要的优良性能范围,加上人们熟知的生产技术经验和在役性能,是应用最广泛
的飞机结构材料。
(b)钛合金:钛的密度是铝合金的 1.58 倍,在一些应用场合采用纯钛形式,而
更多时候,钛与铝和钒形成合金。钛合金的强度/密度比高于相应的铝合金,但是弹性
模量/密度比却比较小。高温时,钛合金的强度性能优于轻合金,且钛合金不易腐蚀。
(c)钢:钢的可用性能范围很宽,比轻合金和钛合金有更高的强度。钢的密度大
约是铝的 2.8 倍,因此钢主要用于高在和、要求尺寸紧凑的部件。有些钢还耐腐蚀。
复合材料由两种性质不同的成分组成,不同成分在材料的内部并没有融成一体,
这点与金属材料不同。用于飞机结构的复合材料,其中一种成分是纤维材料,用它来
2
加强另一种成分基体材料。虽然纤维可能不长且长短不一,但多数情况采用长纤维按
照特定的方向排列,以满足所需的强度性能。最常用的加强纤维有:
1.碳纤维(石墨);
2.玻璃纤维;
3.芳香族聚酰胺纤维(芳纶),例如,凯芙拉(Kevlar)。
在其他纤维中,应用较多的是硼纤维和金刚砂。
基体材料可以是陶瓷材料,但在飞机结构中应用较多的基体材料是:
1.热固性树脂,截至目前应用最为广泛,包括聚酯、聚酰胺和环氧配方。
2.热塑性树脂,优点很多且应用日益广泛。
3.金属,如铝合金。
用纤维增强树脂基体的材料通常被称为纤维增强复合材料(FRP)。
值得一提的是,木材实际上是一种天然纤维增强材料。现在它的应用仅限于小型
简易飞机上,因为木材的刚度相对较低、易变形,而且木材易受环境(如水分)的影
响。
1.2.2 飞机结构数字化设计
飞机产品数字化技术是 20 世纪 80 年代后期以来,随着 CAD/CAM 技术\计算机信
息技术以及网络技术的发展,以美国为首的西方发达国家开始研究并且首先采用的一种
技术.这项技术以全面采用数字化产品的定义、数字化与装配、产品数据管理,并行工
程和虚拟制造技术为主要标志,从根本上改变了传统的飞机设计与制造模式,大幅度
提高了飞机设计和制造技术水平。美国波音 777 飞机的飞机机制,由于全面采用该项
新技术,使得研制周期缩短 50%。出错返工率减少 75%,成本降低 25%。成为数字化
技术在飞机研制中应用的标志和里程碑。由于复合材料工艺特点造成设计制造具有独
特性,飞机复合材料数字化技术与飞机金属零件数字化技术既有一定的相同性,又具
有很大差异。
复合材料构件数字化设计是基于复合材料设计/制造软件平台,按照复合材料的特
点进行复合材料构件数字化建模。复合材料设计/制造软件是专用于复合材料构件设计
和生产的软件,目前应用广泛的有美国 Vistagy 公司的 FiberSIM 软件和 CATIA 软件中
的 Composite 模块。Composite 模块与 CATIA 中的 Part,Drawing 等模块一样,与
CATIA 的体系结构完全集成,而 FiberSIM 软件也能完全集成到 CATIA,UG,Pro/E
等三维造型软件中。不管是 FiberSIM 还是 CATIA Composite 软件,都提供了设计复合
材料构件所必需的功能。波音 787 飞机项目中,法国达索公司还专门在波音公司应用
的 CATIA 软件中开发了复合材料不见专用数字化定义模块。复合材料构件采用专用复
合材料构件设计软件进行数字化设计后,将产品的数字化定义向全球合作伙伴发放,
保证了复合材料构件数据的唯一性和准确性。
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南抖北快东卫
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