本文關(guān)鍵詞：復(fù)合材料在提升機翼顫振速度中的作用研究

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【摘要】：無論在空氣動力學(xué)領(lǐng)域還是飛行器的設(shè)計研發(fā)過程中,顫振問題始終是十分重要的研究課題。又因顫振發(fā)生時會出現(xiàn)分岔、周期倍化、混沌等多種現(xiàn)象,所以它也是最難以預(yù)測的不穩(wěn)定現(xiàn)象之一。由于顫振一旦發(fā)生,將會帶來嚴(yán)重的后果,即使輕微的顫振也會使結(jié)構(gòu)的疲勞破壞加速。因此提高飛行器的顫振速度一直是科學(xué)家和工程師們研究課題與努力方向。顫振控制方法分為顫振的主動控制和被動控制兩種。其中的被動控制方法因其實施方便、效果穩(wěn)定可靠,在飛行器的設(shè)計階段一般作為顫振控制的首選方法。本文基于Theodorsen氣動力函數(shù)和片條理論的論基礎(chǔ),利用顫振的被動控制方法,以有限元分析軟件Hypermesh和Nastran為工具,進行了新型復(fù)合碳纖維材料在提升機翼顫振速度方面應(yīng)用的仿真分析研究。本文首先對顫振現(xiàn)象的產(chǎn)生、在整個力學(xué)體系中的定位等背景知識進行了簡要介紹。又基于Theodorsen函數(shù),推導(dǎo)了二元機翼的顫振計算公式。再介紹了顫振計算的兩種主要方法—K方法和PK法的原理及實施過程,通過簡單對比選擇了PK方法作為本文的分析方法。然后在有限元建模軟件Hypermesh中對機翼模型進行網(wǎng)格劃分,經(jīng)過一系列合理的等效以及簡化工作得到某型號客機機翼結(jié)構(gòu)的有限元模型,并對其進行了模態(tài)分析,深入理解機翼結(jié)構(gòu)特點,又對其進行了飛行中的簡要流場分析,為顫振分析做準(zhǔn)備。隨后利用PK法對機翼進行顫振的仿真分析,得到傳統(tǒng)金屬材料蒙皮機翼的顫振速度以及顫振頻率。最后選用碳纖維復(fù)合材料M55J構(gòu)成的層壓板作為機翼的蒙皮,作仿真顫振計算�？紤]到碳纖維復(fù)合材料各向異性的特點,不同的鋪層方式的層壓板的力學(xué)性能有較大差異。因此又改變了碳纖維的鋪層方式,分別進行顫振仿真計算,通過對比結(jié)果得出結(jié)論。最后本文得到如下結(jié)論:1、隨著技術(shù)的發(fā)展,新型復(fù)合材料的原料成本不斷降低,碳纖維材料可以并且已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于航空領(lǐng)域。但因其具有各向異性的特點,各方向上的模量差異較大,這就導(dǎo)致由碳纖維的鋪層方式?jīng)Q定了鋪成的層壓板的力學(xué)性能。如果鋪層方式不當(dāng),不僅無法體現(xiàn)出復(fù)合材料的優(yōu)勢,甚至使機翼的顫振速度低于傳統(tǒng)金屬材料蒙皮機翼的顫振速度。2、對于二元機翼而言,顫振一般發(fā)生在彎扭耦合模態(tài),此時組成機翼蒙皮的壓層板表面纖維主要承受剪力作用。而45?方向的碳纖維可以有效的抵御剪力的作用,使用該角度的碳纖維作為層壓板的表面層可使機翼顫振速度得到顯著提高。3、如果不改變層壓板的厚度,選用較細(xì)的纖維以增加纖維鋪設(shè)層數(shù),使各角度的纖維更加均勻的分布在層壓板內(nèi)部,可以在一定程度上改善機翼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,提高機翼的顫振速度。但因此方法將會大大增加機翼的加工成本,而且提升顫振速度的效果十分有限,所以在使用時需要慎重考慮。4、使用合理鋪層的層壓板作為機翼蒙皮的材料可以顯著提高機翼的顫振速度。較傳統(tǒng)鋁合金材料而言,使用碳纖維材料可以使機翼的顫振速度提高20%以上,可見復(fù)合材料在提升機翼顫振速度方面有著卓越的表現(xiàn),前景十分廣闊。
【關(guān)鍵詞】：空氣動力 顫振仿真 碳纖維復(fù)合材料 纖維鋪層方式
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V214.8;V215.34
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 緒論11-17
• 1.1 顫振問題簡述11-12
• 1.1.1 氣動彈性問題的產(chǎn)生原因與特點11-12
• 1.1.2 顫振問題在氣動彈性力學(xué)中的地位12
• 1.2 顫振問題研究的發(fā)展歷程12-13
• 1.3 本文的選題意義與主要內(nèi)容13-17
• 1.3.1 本文的選題意義13-14
• 1.3.2 本文的主要研究內(nèi)容14-17
• 第2章 顫振現(xiàn)象的產(chǎn)生及顫振速度的計算17-29
• 2.1 顫振現(xiàn)象的產(chǎn)生原因17-19
• 2.2 二元機翼上的非定常氣動力19-21
• 2.3 顫振速度的計算21-28
• 2.3.1 機翼運動方程21-24
• 2.3.2 顫振計算的K方法24-26
• 2.3.3 顫振計算的PK法26-28
• 2.4 本章小結(jié)28-29
• 第3章 結(jié)構(gòu)有限元模型與空氣動力模型的聯(lián)接29-39
• 3.1 機翼的氣動力單元劃分29-32
• 3.2 Nastran中聯(lián)接結(jié)構(gòu)模型與氣動力模型的方法32-34
• 3.3 樣條函數(shù)的選取34-37
• 3.4 本章小結(jié)37-39
• 第4章 機翼的模態(tài)及流場分析39-47
• 4.1 機翼有限元模型的建立及模態(tài)分析39-42
• 4.2 機翼的流場分析42-44
• 4.3 本章小結(jié)44-47
• 第5章 機翼顫振速度仿真計算47-63
• 5.1 機翼氣動力模型的建立47-50
• 5.2 機翼顫振分析計算結(jié)果50-58
• 5.2.1 傳統(tǒng)材料機翼顫振速度計算50-52
• 5.2.2 復(fù)合材料機翼顫振速度計算52-58
• 5.3 結(jié)果對比58-60
• 5.4 本章小結(jié)60-63
• 第6章 總結(jié)與展望63-67
• 6.1 總結(jié)63-64
• 6.2 展望64-67
• 參考文獻67-72
• 作者簡介72-73
• 獲得的獎勵72-73
• 致謝73

【參考文獻】

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本文編號：965674