本发明专利技术是提出按刚度要求进行复合材料翼面铺层的方法，推导出三向刚度相同的复合材料板层板在铺层角变化时总厚度不变，即重量特性相同。利用该方法，可以实现对翼面进行按照刚度要求的铺层设计。可以在气动弹性计算中用蒙皮的三向刚度和对应的重量关系来代替用多种角度多种铺层数描述的蒙皮复杂计算模型。利用这一方法，建立复合材料板的等效刚度转换。新铺层板的重量与原铺层板相同。可将优化后的蒙皮转换成给定铺层角的铺层，解决了工艺上实现的可能性。一种飞机垂尾的铺层是利用这一方法设计而成。其翼面弯曲刚度和扭刚度完全满足设计要求。该垂尾试验表明，完全满足设计要求。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及飞机结构件的设计，尤其是复合材料铺层的设计方法。
技术介绍
在翼面结构设计中，除满足强度要求外还必须满足由气动弹性计算提出的刚度指标。特别是对高速歼击机来说，往往刚度要求比强度要求更难满足。由于复合材料优于金属材料的一个特点是它的轴向刚度和剪切刚度分别是可设计的，因而我们可以利用这一个特点设计出比金属结构更轻，更合理的翼面来。为了进行按刚度要求的铺层设计，从而提出了本课题的研究。气动弹性计算时将翼面结构刚度要求往往以下面两种形式给出。(1)气动弹性计算时将翼面看做工程梁简化当翼面简化成工程梁后，根据翼面气动弹性计算结果，提出沿轴线各切面弯曲刚度EI1和扭转刚度GJ要求的分布曲线。这样在结构设计中在满足强度要求的前提下，还应满足刚度要求。根据目前翼面设计的实际，我们在蒙皮参数选择前，结构布局和内部结构的主要参数都已确定。蒙皮除在翼根部外，沿弦向基本不变，只是沿展向才变化。于是我们可以把气动弹性对刚度的要求EI1，GJ转化成对蒙皮的轴向刚度Eδ和剪切刚度Gδ的要求。如果设梁及加劲条的弯曲刚度为EIa，那么剖面的弯曲刚度就可写成下面的关系式EI1＝EIa+∫Eδ1·h2ds(1)方程中h表示切面ds处蒙皮中心线的翼型半高度。Eδ表示蒙皮的轴向刚度。如果各切面蒙皮厚度是不变的，而只沿展向变化的话，方程(1)可写成Eδ1＝(EI1-EIa)/∫h2ds (2)这样我们就可以把气动弹性对剖面弯曲刚度EI1的要求通过方程(2)转化成对蒙皮轴向刚度Eδ1的要求了。同样，如果我们认为剖面闭室面积F，腹板厚度δW时，剖面的扭转刚度为GJ时就可以建立如下方程GJ=4F2∫dsGδs---(3)]]> 其中∫dsGδs=ΣhwGδw+2∫sdsGδ---(4)]]>从方程(3)，(4)中求解出Gδ=2∫sds4F2GJ-ΣhwGδw---(5)]]>这样我们又把气动弹性对剖面的扭转刚度的要求转化成对蒙皮的剪切刚度Gδ的要求了。在复合材料翼面按刚度要求的铺层设计中，只要蒙皮的铺层设计满足公式(2)和(5)给出的轴向刚度EI1和剪切刚度GJ的要求后，即满足气动弹性所要求的翼面弯扭刚度曲线。用有限元素法对翼面进行气动弹性计算在这种形式气动弹性计算后，将对翼面各块蒙皮给出轴向刚度E和剪切刚度的要求来，这样我们就可以直接根据这个要求对蒙皮进行按刚度的铺层设计了。
技术实现思路
本专利技术按照刚度要求进行复合材料铺层及计和铺层的等效刚度转换。得出了按三向刚度要求的铺层设计方法和具体的公式计算。当已知层合板的三向刚度时，即可得到任意三种铺层角度下的铺层数，从而得到新的适用于工程应用的铺层形式。1.按刚度要求的铺层设计方程推导1.1以知条件由气动弹性给出了对蒙皮刚度要求Eδ和Gδ。由复合材料基本性能实验给出单向复合材料的基本性能及叠层板每层的厚度即Ex-----复合材料纵向拉伸模量Ey-----复合材料横向拉伸模量Es-----复合材料纵向剪切模量Vx-----纵向泊松比TB-----叠层板每层厚度1.2复合材料叠层板面内刚度方程的推导沿纤维主向的刚度分量计算式Qxx=Ex1-vxvy]]>Qyy=Ey1-vxvy]]> Qxy=vyEx1-vxvy---(6)]]>Qyx=vxEy1-vxvy]]>Qss＝Es其中vy=EyExvx---(7)]]>不变数计算式U1＝(3Qxx+3Qyy+2Qxy+4Qss)/8U2＝(Qxx-Qyy)/2U3＝(Qxx+Qyy-2Qxy-4Qss)/8U4＝(Qxx+Qyy+6Qxy-4Qss)/8U5＝(Qxx+Qyy-2Qxy+4Qss)/8 (8)铺层转角θ的刚度分量为Q11＝U1+U2cosθ+U3cos4θQ22＝U1-U2cosθ+U3cos4θQ12＝U4-U3cos4θQ66＝U5-U3cos4θ (9)Q16=12U2sin2θ+U3sin4θ]]>Q26=12U2sin2θ-U3sin4θ]]>单层板转角后的应力应变关系式为σ1＝Q11ε1+Q12ε2+Q16ε6σ2＝Q21ε1+Q22ε2+Q26ε6(10)σ6＝Q61ε1+Q62ε2+Q66ε6如果假设叠层板各层在外力作用下变形时三个方向各层的应变是一致的，则应变分别表示为ε10，ε20，ε60，叠层板的平均应力用σ10，σ20，σ60，来分别表示，叠层板总后度为δ。实际叠层板蒙皮在翼面结构受力时，各层应变是相同的。现将各种角度铺层的单层板叠合在一起并建立下面的关系式 σ10=1δ]]>σ20=1δ---(11)]]>σ60=1δ]]>式中A11=Σj=1mQ11j·Nj·TB]]>A12=Σj=1mQ12j·Nj·TB]]>A22=Σj=1mQ22j·Nj·TB]]>A16=A61=Σj=1mQ16j·Nj·TB---(12)]]>A26=A62=Σj=1mQ26j·Nj·TB]]>A66=Σj=1mQ66j·Nj·TB]]>应变和应力之间的关系式可写成ϵ10=a11δ·σ10+a12δ·σ20+a16δ·σ60]]>ϵ20=a21δ·σ10+a22δ·σ20+a26δ·σ60---(13)]]>ϵ60=a61δ·σ10+a62δ·σ20+a66δ&Ce本文档来自技高网...
【技术保护点】
按刚度要求进行复合材料翼面铺层的方法，几种不同铺层角的复合材料板三向刚度相同的层板的总厚度相等，即重量特性相同。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：崔德刚，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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