專利名稱：跨音速顫振模型復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其剛度計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種用于飛機(jī)顫振模型風(fēng)洞試驗(yàn)的復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及用于計(jì)算復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)的截面剛度的計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
飛機(jī)顫振模型主要用在確定飛行器(整體或部件)的顫振臨界速度的試驗(yàn)中，需要具有與模擬對(duì)象相似的動(dòng)力學(xué)特性，這些特性包括氣動(dòng)外形、剛度分布、質(zhì)量分布等等。 因而，供試驗(yàn)用的模型應(yīng)該滿足空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和幾何形狀等方面相似律的要求， 這些要求內(nèi)容廣泛，以致顫振模型很難全部滿足。文獻(xiàn) Optimization Approach to Design of Aeroelastic Dynamically-Scaled Models of Aircraft (10th AIAA/ISSM0 Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference, 30 August-I September 2004, Albany, Now York AIAA 2004—4642)中描述了一種傳統(tǒng)的復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)，其截面形式如

圖1所示。這種結(jié)構(gòu)通常是在包覆內(nèi)核10的矩形殼體20上均勻厚度地鋪設(shè)士45度鋪層來(lái)模擬截面扭轉(zhuǎn)剛度，并在矩形殼體20的主要承載面區(qū)域30之上再額外地鋪層來(lái)控制截面彎曲剛度。這種結(jié)構(gòu)形式的好處在于扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度可以進(jìn)行相對(duì)獨(dú)立的剛度設(shè)計(jì)。但是這種結(jié)構(gòu)形式在工藝的合理性上有一定的局限性，即同一角度的鋪層不得多于4層，以及存在大梁的變截面要求與環(huán)形均勻厚度士45度鋪層工藝之間的協(xié)調(diào)性差等問(wèn)題。這些問(wèn)題對(duì)于跨音速顫振模型的強(qiáng)度要求、剛度設(shè)計(jì)都有一定的影響。因此，現(xiàn)有單梁結(jié)構(gòu)的缺陷在于傳統(tǒng)的金屬粱結(jié)構(gòu)質(zhì)量比較大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)后期需要修正；傳統(tǒng)的復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)以同一角度鋪層連續(xù)鋪設(shè)，降低了復(fù)合材料的強(qiáng)度性能， 并且整體的鋪層形式不利于鋪層角度控制與變截面要求的相互協(xié)調(diào)。此外，針對(duì)現(xiàn)有顫振模型的梁架結(jié)構(gòu)的截面形式及相應(yīng)的截面尺寸，專利申請(qǐng) CN101894182A中還公開(kāi)了一種計(jì)算方法。然而，該方法僅適用于等模量截面剛度設(shè)計(jì)，例如該申請(qǐng)中所列舉的幾種截面形式的梁結(jié)構(gòu)。對(duì)于上述文獻(xiàn)中額外鋪層的區(qū)域設(shè)計(jì)，或者不同鋪層比的截面區(qū)域設(shè)計(jì)，這種計(jì)算方法顯然難以滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明提出一種改進(jìn)的跨音速顫振模型復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用全新的截面形式，解決了鋪層角度控制與變截面要求之間的相互協(xié)調(diào)問(wèn)題；同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化截面各區(qū)域上不同角度鋪層的排序，更好地滿足了跨音速顫振模型對(duì)于強(qiáng)度的要求，也能更好地實(shí)現(xiàn)截面漸變的剛度控制要求。根據(jù)本發(fā)明的這一目的，提供了這樣一種跨音速顫振模型復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)，其由非金屬內(nèi)核材料以及鋪貼于所述內(nèi)核材料外層的單閉室薄壁殼體構(gòu)成，其中，所述殼體具有矩形倒圓角的閉合截面形式，并由復(fù)合材料以士 α度與0度交替鋪設(shè)而成，其中，以0 度鋪設(shè)表示復(fù)合材料沿垂直于截面的方向鋪設(shè)。
進(jìn)一步地，根據(jù)單梁結(jié)構(gòu)在其截面上的受力情況，將所述閉合截面劃分為主承載區(qū)、次承載區(qū)和過(guò)渡區(qū)，其中，所述主承載區(qū)的復(fù)合材料鋪層以0度鋪層為主，所述次承載區(qū)的復(fù)合材料鋪層以士 α度鋪層為主。優(yōu)選地，所述士 α度為士45度。當(dāng)然，可以理解的是，在非常規(guī)的一些情況下，也可以選擇其他角度?？蛇x地，所述過(guò)渡區(qū)的截面形式為四分之一圓或橢圓。根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述殼體可由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鋪層組成，所述內(nèi)核材料由復(fù)合材料泡沫和肋板構(gòu)成。針對(duì)上述方案中提供的單梁結(jié)構(gòu)的截面形式，本發(fā)明的另一目的在于提供一種截面剛度的計(jì)算方法，通過(guò)該計(jì)算方法，能夠快速地獲取實(shí)現(xiàn)目標(biāo)剛度設(shè)計(jì)的截面尺寸數(shù)據(jù)。為此，根據(jù)本發(fā)明的跨音速顫振模型復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)的截面剛度的計(jì)算方法可包括以下步驟(1)確定截面控制參數(shù)，包括控制尺寸參數(shù)及材料性能參數(shù)；(2)將步驟(1)中確定的截面控制參數(shù)輸入到控制運(yùn)算器中，按照建立的計(jì)算模型得出截面彎曲剛度和截面扭轉(zhuǎn)剛度；(3)判斷計(jì)算得出的截面彎曲剛度和截面扭轉(zhuǎn)剛度是否滿足目標(biāo)剛度，若不滿足， 改變截面控制參數(shù)，重復(fù)步驟(1)至0)，直至滿足目標(biāo)剛度，結(jié)束計(jì)算，得到截面最終設(shè)計(jì)參數(shù)。其中，所述步驟(1)中的截面控制參數(shù)包括截面高度H、截面寬度B、倒角半徑R、 士 α度鋪層數(shù)、0度鋪層數(shù)、材料的拉壓剪模量等。進(jìn)一步地，所述步驟O)中計(jì)算得出的截面彎曲剛度和截面扭轉(zhuǎn)剛度包括對(duì)截面各區(qū)域計(jì)算值的疊加，即，可將截面分為主承載區(qū)、次承載區(qū)和過(guò)渡區(qū)，其中截面的總彎曲剛度EI截面=EI主承軀+EI次承軀+4ΧΕΙ過(guò)渡區(qū)，
權(quán)利要求
1.一種跨音速顫振模型復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)，其由非金屬內(nèi)核材料以及鋪貼于所述內(nèi)核材料外層的單閉室薄壁殼體構(gòu)成，其特征在于，所述殼體具有矩形倒圓角的閉合截面形式， 并由復(fù)合材料以士 α度與0度交替鋪設(shè)而成，其中，以0度鋪設(shè)表示復(fù)合材料沿垂直于截面的方向鋪設(shè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨音速顫振模型復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述閉合截面被劃分為主承載區(qū)、次承載區(qū)和過(guò)渡區(qū)，其中，所述主承載區(qū)的復(fù)合材料鋪層以0度鋪層為主，所述次承載區(qū)的復(fù)合材料鋪層以士 α度鋪層為主。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的跨音速顫振模型復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述士α 度為士45度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的跨音速顫振模型復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述過(guò)渡區(qū)的截面形式為四分之一圓或橢圓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨音速顫振模型復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述殼體由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鋪層組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨音速顫振模型復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述內(nèi)核材料由復(fù)合材料泡沫和肋板構(gòu)成。
7.用于計(jì)算權(quán)利要求1至6中任一所述的跨音速顫振模型復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)的截面剛度的計(jì)算方法，包括以下步驟(1)確定截面控制參數(shù)，包括控制尺寸參數(shù)及材料性能參數(shù)；(2)將步驟(1)中確定的截面控制參數(shù)輸入到控制運(yùn)算器中，按照建立的計(jì)算模型得出截面彎曲剛度和截面扭轉(zhuǎn)剛度；(3)判斷計(jì)算得出的截面彎曲剛度和截面扭轉(zhuǎn)剛度是否滿足目標(biāo)剛度，若不滿足，改變截面控制參數(shù)，重復(fù)步驟(1)至0)，直至滿足目標(biāo)剛度，結(jié)束計(jì)算，得到截面最終設(shè)計(jì)參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟(1)中的截面控制參數(shù)包括截面高度H、截面寬度B、倒角半徑R、士 α度鋪層數(shù)、O度鋪層數(shù)、材料的拉壓剪模量等。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟( 中計(jì)算得出的截面彎曲剛度和截面扭轉(zhuǎn)剛度包括對(duì)截面各區(qū)域計(jì)算值的疊加，即，將截面分為主承載區(qū)、次承載區(qū)和過(guò)渡區(qū)，截面的總彎曲剛度EI截面=EI主承軀+EI次承軀+4 X EI過(guò)渡區(qū)，截面的總扭轉(zhuǎn)剛度
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的計(jì)算方法，其特征在于，截面各區(qū)域的彎曲剛度分別為EI主承載區(qū)=EX (1+a) X (H3-h3) Xb/12 EI 次承載區(qū)=EX (2XC)3XTX2/12
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的計(jì)算方法，其特征在于，在對(duì)截面各區(qū)域的扭轉(zhuǎn)剛度值進(jìn)行疊加之后，采用修正系數(shù)δ對(duì)GJlffi進(jìn)行修正，修正系數(shù) (293.17 χ f -
全文摘要
本發(fā)明提供一種跨音速顫振模型復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)，其由非金屬內(nèi)核材料以及鋪貼于所述內(nèi)核材料外層的單閉室薄壁殼體構(gòu)成，其特征在于，所述殼體具有矩形倒圓角的閉合截面形式，并由復(fù)合材料以±α度與0度交替鋪設(shè)而成，其中，以0度鋪設(shè)表示復(fù)合材料沿垂直于截面的方向鋪設(shè)。通過(guò)采用本發(fā)明的單梁結(jié)構(gòu)，能夠有效滿足跨音速顫振模型對(duì)于強(qiáng)度以及截面漸變的剛度要求。本發(fā)明還提供了相應(yīng)的單梁結(jié)構(gòu)的截面剛度的計(jì)算方法，通過(guò)該計(jì)算方法，能夠快速地獲取實(shí)現(xiàn)目標(biāo)剛度設(shè)計(jì)的截面尺寸數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102354324SQ20111028141
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者劉亞萌, 周健斌, 周錚, 孫亞軍, 孫耀立, 張婷婷, 張瀟, 竇忠謙 申請(qǐng)人:中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司, 中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院