复合材料副翼结构优化设计研究

张佳佳

摘 要：飞机副翼的结构性能对其飞行性能有着至关重要的影响。对于飞机副翼的性能而言，材料的选择非常重要。由于复合材料具有轻量化、高强度等特点，目前在飞机设计中得到了广泛应用。因此，探讨了复合材料机副翼结构的优化设计问题，并提出了相应的解决对策，以供参考。

关键词：复合材料；飞机副翼；主梁；六面体实体单元

中图分类号：V224 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.097

1 复合材料副翼结构的联合优化设计

1.1 复合材料骨架的优化设计

在复合材料骨架的概念设计中，通常需要依据副翼外形的实际尺寸建立整体模型，并在此基础上划分为设计域、非设计域两个部分。其中，设计域主要包括副翼肋板所在空间，主要以六面体实体单元填充；非设计域主要包括主梁，上、下蒙皮和后缘缘条，主要采用壳单元划分网格。副翼概念设计中的有限元模型如图1所示。

图1 副翼概念设计中的有限元模型

1.2 复合材料肋板的优化设计

应先优化复合材料肋板，并将副翼肋板按照1～6的顺序编号。其中，1～4号肋板的大小必须相同，5号和6号肋板的大小必须相同。为了更好地开展优化构型的设计和加工，应在实际优化过程中进一步对肋板设计区进行“模式重复”约束，即将相同的构型运用到大小一致的助板中；将1号肋板的设计区设定为主设计区，2～4号肋板的设计区设定为1号肋板的从设计区，并在5号和6号肋板设计区内将5号肋板设置为主设计区，6号肋板的设计区为5号助板设计区的从设计区。在此情况下，无论6种肋板设计域是否具有一致的边界条件、采用相同的网格划分，都可确保其在从设计区上形成一种与主设计区结构模式相同的优化效果。此外，为了更好地保证刚度，必须将副翼翼梢顶部节点的位移控制在50 mm以内，促使其可通过最小的质量结构，从而有效开展优化计算工作。

2 复合材料蒙皮的优化设计

在飞机的副翼结构中，副翼蒙皮最主要的作用为承受飞机转向、降落时的迎向气流载荷。同时，作为飞机机翼的重要组成部分，在飞机平飞过程中通常会承担一定的升力载荷。其中，金属骨架与蒙皮间主要利用铆钉连接，而蒙皮与主梁、加强接头间则多采用螺栓连接，且其通常会分别选用截面面积不同的PBAR单元模拟。此外，对于复合材料层合板而言，常选用四种铺设角，即0°、±45°、90°进行相关铺设，而副翼结构中的上、下蒙皮通常被设计成两个独立的设计域，但在这两个设计域中，均采用单一分区的方式为后续各优化过程提供充足的优化空间，确保每个超级层的厚度都具备合适的初始尺寸。为了消除热变形翘曲和减小内应力，复合材料结构采用工程中常用的对称铺层设计，因此，其刚度系数β为0.

2.1 蒙皮的概念设计

在进行蒙皮的概念设计时，通常采用自由尺寸的优化方法，并在此基础上进一步将具有相同铺设角的所有铺层划分为一个超级层，再以每个单元超级层的实际厚度作为主要的设计变量。此外，在实际优化过程中，应限定复合材料用量为50%，并将载荷工况下的最大刚度结构作为基本的优化目标。为了确保最终设计结果的可制造性，需要从蒙皮的概念设计阶段开始加入合理的制造约束。当自由尺寸的优化完成后，可获得上、下蒙皮各自的厚度分布，再在此基础上根据各个超级层的实际厚度将其解析为4种不同形状的铺层块。

2.2 蒙皮的系统设计

在进行蒙皮的系统设计时，被采用最多的是尺寸优化方法，即将形状不同的铺层块的厚度尺寸作为设计变量，从而获取各种形状铺层块的最佳厚度、确定各种类型铺层块的实际铺设层数。一般而言，在自由尺寸优化阶段形成的各种可制造性约束会在该阶段被自动继承下来，并在尺寸优化阶段继续发挥作用。为了更好地保证设计的可信度，需要相关工作人员及时为其引入金属结构屈服约束和复合材料的失效约束，从而有效避免因结构失效而产生的破坏作用。比如，通过选用Tsai-Wu失效准则，可有效防止载荷工况下复合材料层合板中单层失效问题的发生，并将金属结构上的最大应力限制在所用铝合金的屈服极限（462 MPa）以内。

2.3 蒙皮的细节设计

当获得各种角度和各种形状铺层块的实际铺设层数后，需要全面优化实际铺层的层叠次序，并在此基础上，打乱、重排之前两个优化阶段中形成的一系列铺层，最终的结果可直接应用于实际加工指导工作中。

3 结论

综上所述，针对复合材料的实际特点，对飞机复合材料的副翼结构进行了更深层次的联合优化设计。从设计结果可见，该优化设计方案可满足相关要求，且飞机减重明显，值得在设计实践中进一步推广。

参考文献

[1]丁玲.全复合材料无人机机翼结构优化设计[D].长春：中国科学院研究生院，2014.

[2]周磊，万志强，杨超.复合材料壁板铺层参数对大展弦比机翼气动弹性优化的影响[J].复合材料学报，2013（05）.

〔编辑：张思楠〕