【摘要】：本文研究的內(nèi)容是太陽能無人機(jī)復(fù)合材料夾芯翼梁的優(yōu)化問題。太陽能無人機(jī)由于其動(dòng)力來源獨(dú)特,必須通過減輕結(jié)構(gòu)重量的手段來滿足自身長航時(shí)飛行需求。先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料憑借其高比強(qiáng)度、比模量的優(yōu)異性能在航空結(jié)構(gòu)中大量應(yīng)用,為改善太陽能無人機(jī)的總體效率帶來了更多選擇。翼梁作為機(jī)翼的主承力構(gòu)件關(guān)乎到整個(gè)無人機(jī)的承載能力,因此開展復(fù)合材料翼梁優(yōu)化研究工作的重要性不言而喻。本文以太陽能無人機(jī)復(fù)合材料翼梁為研究對(duì)象,首先,明確機(jī)翼輕量化作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目標(biāo),考慮到復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,借鑒常用的幾種復(fù)合材料等效理論方法,通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證,其中采用三明治夾芯板理論綜合效果最優(yōu)。其次,以太陽能無人機(jī)機(jī)翼翼梁設(shè)計(jì)需求為基礎(chǔ),綜合考慮眾多因素進(jìn)行合理的配置機(jī)翼有限元模型,分析無人機(jī)外載荷對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的影響,采用渦格法計(jì)算機(jī)翼氣動(dòng)載荷,并通過多點(diǎn)排等效方法實(shí)現(xiàn)載荷從氣動(dòng)場到結(jié)構(gòu)場的轉(zhuǎn)換;運(yùn)用有限元軟件對(duì)管梁、箱型梁、工字梁三種翼梁進(jìn)行力學(xué)分析,獲得了三種翼梁的綜合力學(xué)性能。另外,在此基礎(chǔ)上基于多島遺傳算法構(gòu)建以機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型,開展了復(fù)合材料機(jī)翼翼梁鋪層尺寸的優(yōu)化工作,借助強(qiáng)大的優(yōu)化平臺(tái)Isight協(xié)同有限元軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)翼梁的聯(lián)合仿真分析,結(jié)果表明:管梁、箱型梁和工字梁機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量依次減輕了 9.4%、5.1%、6.2%,提高了復(fù)合材料的利用率。最后,以機(jī)翼的變形量為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)箱型梁的截面高度和寬度合理分配,得到了箱型梁機(jī)翼的最大變形減少到127.3mm;優(yōu)化完成后制備該型復(fù)合材料箱型翼梁樣件,設(shè)計(jì)三點(diǎn)彎曲測試和懸臂梁彎曲測試驗(yàn)證了樣件的強(qiáng)度和變形能力,結(jié)果表明通過優(yōu)化得到的箱型翼梁滿足設(shè)計(jì)要求,為后續(xù)對(duì)太陽能無人機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼的優(yōu)化研究提供了借鑒和思路。
【圖文】：

的包括 4 個(gè)型號(hào)，，最初研發(fā)的主要目標(biāo)是執(zhí)行民事任務(wù)，比如在萬米高空中監(jiān)測大氣環(huán)工作，后續(xù)逐漸推廣于高空預(yù)警等應(yīng)用。表 1.1 為“太陽神”系列無人機(jī) 4 個(gè)型號(hào)的部分參數(shù)。表 1.1 “太陽神”系列無人機(jī) 4 個(gè)型號(hào)的部分性能參數(shù)機(jī)型 展弦比 全機(jī)翼載荷/kg/m2最大飛行高度/km 單位機(jī)翼重量/kgPathfinder 12.3 35.6 21 2.9Pathfinder＋ 15.1 36.2 24 2.84Centurion 24.6 58.2 15 3.6Helios 30.4 49.8 29.5 3.2由于“太陽神”系列無人機(jī)均采用飛翼布局形式，其特點(diǎn)是展長和柔度較大、整體結(jié)構(gòu)減輕，在空中飛行時(shí)機(jī)翼可能發(fā)生許用值以內(nèi)的較大彈性變形。后期型號(hào)隨著展弦比的，飛行高度也有所提升，曾經(jīng)在試飛中創(chuàng)造超出 30km 的高度記錄。如圖 1.1 所示為飛的“Helios”號(hào)太陽能無人機(jī)和其機(jī)翼結(jié)構(gòu)。

曾經(jīng)在試飛中創(chuàng)造超出 30km 的高度記錄無人機(jī)和其機(jī)翼結(jié)構(gòu)。圖 1.1 飛行中的“Helios”號(hào)太陽能無人機(jī)和機(jī)翼結(jié)構(gòu)毀解體如圖 1.2 所示，事故原因?yàn)轱w行過程中致不可恢復(fù)的形變，最終導(dǎo)致飛機(jī)解體。
【學(xué)位授予單位】：西安工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V279;V214.8

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