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• 本文标题：飞机机翼结构与材料的优化设计.doc
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• 内容摘要：毕业设计，论文， 飞机机翼结构与材料的优化设计 学院， 专业， 姓名， 指导老师， 航空学院 飞行器制造工程 洪家豪 学号， 职称， 163701101409 于相斌 教授 中国珠海 二二年五月  北京理工大学珠海学院毕业设计 诚信承诺书 本人郑重承诺，我所呈交的毕业论文飞机机翼结构与材料的优化设计是在于相斌导师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，论文使用的数据真实可靠。 承诺人签名 日期，年月日  飞机机翼结构与材料的优化设计 摘要 飞机是当今时代最重要的航空工具之一，其还有很大的发展空间。同时飞机是一个高新技术的结晶体，推动飞机发展，是增强国家综合国力的体现，而目前制约制约飞机发展的因素有很多，其中结构设计和材料方面是重要的两个因素。如今重新研究一种新材料或者新结构是一项十分艰巨的任务，这往往需要大量成本和时间，所以我们考虑针对现在已有的机型，并对其进行一定程度的重新设计，从而达到优化的目的。 本文为针对机翼结构和材料进行优化设计，通过参考部分机型如波音787以及A320200来重新设计一种针对结构和材料改良优化的设计方案。 关键词，复合材料结构设计机翼  OptimizationDesignofAircraftWingStructureandMaterial ABSTRACT Aircraftisoneofthemostimportantaviationtoolsinthecontemporaryeraandthereisstillmuchroomfordevelopment。Atthesametimetheaircraftisacrystallinebodyofhighandnewtechnologywhichpromotesthedevelopmentoftheaircraftandisamanifestationofenhancingtheoverallnationalstrengthofthecountry。Atpresenttherearemanyfactothatrestrictthedevelopmentoftheaircraftincludingstructuraldesignandmaterialsaretwoimportantfacto。Nowadaysitisaverydifficulttasktoreexamineanewmaterialoewstructurewhichoftenrequiresalotofcostandtimesowecoidertargetingtheexistingmodelsandredesigningthemtoacertainextenttoachieveoptimizationthegoalof。   Thisarticleistooptimizethedesignofthewingstructureandmaterials。ByreferringtosomeaircrafttypessuchastheBoeing787andA320200weredesignadesignplanoptimizedfortheimprovementofstructureandmaterials。 Keywords，compositematerialStructureDesignWing 目录 摘要 1 ABSTRACT 2 第一章 绪论 5 1。1论文研究的背景及意义 5 1。1。1研究背景 5 1。1。2研究意义 6 1。3本章研究内容 6 第二章 机翼材料选择 8 2。1引言 8 2。2关于复合材料机翼的基础理论 8 2。2。1复合材料层合板的刚度 9 2。2。2复合材料层合板的强度 12 2。3 选材 13 2。3。1 对某机型的机翼材料参考 13 2。3。2 翼梁选材 14 2。3。3 翼肋选材 15 2。3。4 蒙皮选材 15 2。4本章小结 16 第三章 机翼的结构设计 16 引言 17 3。1机翼结构形式 17 3。2传力分析 17 3。3机翼的外形设计 18 3。3。1机翼起飞重量参数拟定 19 3。3。2关于翼尖小翼翼型后缘襟翼的选择 19 3。4机翼结构设计 20 3。4。1翼梁设计 20 3。4。2翼肋设计 21 3。4。3蒙皮设计 21 3。4。5桁条设计 21 3。5本章小结 22 第四章总结与展望 23 4。1本文小结 23 4。2后期展望 23 参考文献， 24 谢辞 24 绪论 1。1论文研究的背景及意义 1。1。1研究背景 飞机作为现代主要的运输工具之一，一直都是先进技术的结合体，航空领域也一直是各领域先进技术争奇斗艳的舞台。经过一百多年的发展，飞机的种类也变得多种多样，目前世界上绝大部分飞机都由机身机翼尾翼动力装置起落装置操纵系统这六大部分构成。这六大部分都有着其独特的功用。 其中机翼通常分为两个翼面，对称布置在机身左右侧，其主要作用是为飞机提供升力，是飞机重要部件之一。机身上有部分部位，如副翼减速板升降副翼前后缘增升装置扰流片等常用的活动翼面，可以进行移动，而驾驶员可以控制这些部位从而达到改变飞机姿态和增加升力的目的。机翼除了提供升力还可以安装起落油箱武器发动机等。而且机翼的平面形状也是种类繁多，如三角翼梯形翼矩形翼双翼机三翼机多翼机。现代飞机以单翼机为主，但历史不是一直以单翼机为主，历史也曾流行过双翼机，但后来逐渐被单翼机替代。 机翼作为飞机主要乘力结构，会承受各种各样的高载荷，因此机翼得满足结构强度要求。而这个条件前提使得机翼的材料开始不断发展更新。 飞机机翼材料到目前为止以及经历了三个时代，依次分别是木质飞机时代，全金属飞机时代以及塑料飞机时代。 最早期的飞机由于不够先进，飞行速度低，所以不需要太先进的材料仅仅是木布结构即可，这样的成本也非常地低。随着时间推进，技术在不断发展，飞机性能开始不断提高，木布材料已经不可能满足需要，且因为木布容易燃烧和腐蚀，安全性太差。材料技术的不断发展，具有优良性能的航空材料铝合金诞生，于是就迎来了以铝合金飞机为代表的全金属飞机时代。 20世纪70年代，出现了新一代的航空材料复合材料并开始被应用在飞机，进入了复合材料飞机时代。刚开始复合材料主要用在承受力较小的构件上，而现在材料技术越来越发达，越来越多的构件由复合材料构成，也开始出现了全复合材料飞机。 图1。1世界航空复合材料应用的增长情况 1。1。2研究意义 虽然现代飞机已经十分先进，但仍有许多可以提升的空间，本文将针对以下当下飞机存在的问题进行优化， 重量问题，在飞行过程中飞机的重量基本是由机翼承担，越轻的重量意味着飞机性能的提高。重量一直是飞机主要问题之一。 成本，本文主要研究民航客机，航空公司是以盈利为目的的公司，所以关于民航客机还需要从成本角度看。 飞机是一个处于世界前沿，多科交汇的先进科技结合体，优化飞机不仅能降低成本，同时也能提高飞机强度使飞机更加地安全。而优化机翼可以提高飞机性能，对飞机的疲劳断裂性能也有非常大的影响。 1。3本章研究内容 本文利用网络以及书籍针对性的查询到文献资料以及需要用到的数据，在以往所学知识基础上，学习所搜集的资料并进行整合，充实自己的理论功底从而增加设计的可能性。在研究过程中若出现收集不到能解决疑问的资料时，需及时向导师询问。 本文就飞机优化设计分为以下四个部分， 第一部分，介绍本论文的研究意义及目的，提出飞机现在存在的问题。最后阐述本论文的研究方法。 第二部分，首先对现在材料领域进行一些简单的介绍，并了解相关的部分基础理论，最后根据查阅大批文献提供的经验提出自己的选材方案。 第三部分，设计并提出一套关于机翼外形和部分构件的优化方案，改进了部分构件的自身结构和其布局方法。 第四部分，对文章内容的总结，并提出本文后期的展望。 机翼材料选择 2。1引言 材料一直是约束航空发展的重要因素之一，想要优化飞机，材料的选择非常重要。本章主要介绍关于航空材料的基本知识，然后进行针对民机机翼的材料选择。 2。2关于复合材料机翼的基础理论 复合材料是由两种及两种不同性质以上的材料合成一种全新的具有新特性的材料。合成的复合材料不仅仅保持了原有材料的部分特点还能出现原有材料所没有的新特性。复合材料还可以根据特定部件的需要进行特定的设计。应用复合材料可以同时拥有多种属性，而且复合材料比单一均质材料有着更多优越性，复合材料拥有强度高刚度大质量轻耐高温减振等一系列优点，在防腐抗裂防雷击等方面也表现出了显著的优越性。现在复合材料被越来越多应用在飞机上，从一开始只是应用在一小部分承力较小的构件上到现在最主要的受力部件如机翼机身等也开始引用复合材料，例如最具代表性之一的波音787飞机是世界首架使用复合材料机身机翼的大型客机。 复合材料虽然在上世纪70年才登上舞台，但是复合材料现在在航空领域正发挥着功不可没的作用。它也是将飞机推向更高层次的契机。 机型 首飞 部件 材料 减重，%， 占总重 DC10 1976 1987 方向舵 垂直安定面 碳环氧T3005208 26。8 20。2 波音727 1980 升降舵 碳环氧T3005208 25。6 波音737 1984 平尾 垂尾 碳环氧T3005208 27。1 24。0 L1011 1982 1984 副翼 垂直安定面 碳环氧T300E715 碳环氧T3005208 26。3 27。9 A320 1985 垂直安定面平尾襟翼 碳环氧T300913C 22。0 15 波音777 1994 垂直安定面副翼扰流片发动机舱等 碳韧性环氧T800H39002 尾翼减重 680kg 11 A330340 1989 外翼平尾垂尾襟翼副翼等 碳韧性环氧 HTA6376 25。0 13 福克50 1985 外翼襟翼副翼方向舵背鳍客舱地板整流罩 Aramid纤维玻璃纤维碳纤维 8 ATR72 1988~ 1989 外翼翼盒方向舵升降舵整流罩发动机吊机等 T300914 22。6 表1。12000年前复合材料在部分民机上的应用 2。2。1复合材料层合板的刚度 复合材料层合板是可以由不同纤维方向的相同材料属性的单层板构成的，也可以是由不同材料属性的单层板构成，俩者在厚度方面都呈现出非均匀性。复合层压板可以由在不同纤维方向上具有相同材料特性的单层板组成，而具有不同材料属性的单层板也可以构成层合板，且俩者都具有非均匀性，在厚度方面，。而这会使得面内应力引起弯曲变形，弯曲引力引起面内变形，这使得层合板的力学分析变得复杂，但工程中常用的正交铺层或对称层合板，其拉弯耦合为零，因此只有在一定程度下才会出现面内耦合。 1。经典层合板的基本假设 经典层合板理论，CompositeLaminateTheory，一般由以下三列假设合并统称，变形连续性假设，直线法假设，平面应力状态假设。本文采用直线法假设。一般层合板在整体上被认作非均质各向异性薄板。因为一般单层板厚度为0。1mm量级，所以层合板虽然是多个单层板合成，但层合板总厚度的尺寸与其他方向比起来小很多，挠度也就远小于厚度 在研究层合板的弹性特征时，经典层合理论可作以下假设 ，1，平行于中面的诸截面上的正应力与其他应力相比非常小，所以可以忽略。 ，2，各层处于平面应力状态。 ，3，变形前垂直于层板中面直线段，变形后仍为垂直变形后的直线段，并且长度不变。 ，4，各单层黏合牢固，不会产生滑移，因此变形在层间是连续的 2。层合板的应力应变关系 图1。3表示假设了由N层，任意层，组成的薄层压板。 图2。1层合板示意图 取z垂直于板面，oxy坐标面与中面重合。则板中的任意一点的位移变量为 (11) 根据经典层合板基本假设可得 ，12， 将，12，对z积分可得 ，13， 式中u0v0w0表示中面的位移分量，同时也是坐标xy的函数，其中w成为挠度函数。代入到协调方程中得 ，14， 式中 ，15， 将，144，代入应力应变关系式可得层合板中面的应变和曲率表达的第k层应力为 ，16， 3。层合板的刚度 对称层合板指的是无论是在材料上还是几何上都对称与中面的层合板，而工程中大多数层合板都是对称的，所以这里也主要针对对称层合板的特性进行分析。 设对称层合板厚度为h，单个铺层的厚度为t，总共有2n铺层。受到面内应力并不发生弯曲和扭曲的耦合，因此第k层的应力列阵为 ，17， 面内的平均应力 ，18， 式中，(C为等效刚度矩阵，其表达式为 ，19， 式中k=h，h为层合板总厚度tk为第k层的厚度 当各铺层厚度相同时，式，19，可表示为 ，110， 等效柔度矩阵(S可以表示为 ，111， 当层合板为单向板时，(Sij=(Sij，即等效柔度系数就是单层板的柔度系数。 对于对称层合板，中面的正则化柔度系数存在对称关系，即(S12=(S21(S16=(S61以及(S26=(S62。这样就可以得到类似于铺层工程弹性常数的对称层合板工程等效弹性常数与等效柔度系数之间的关系式 ，112， 2。2。2复合材料层合板的强度 因为复合材料是多相复合体，复合材料层合板强度是复杂性极强的问题。最先出现破坏的是在最弱的单层，接着便开始往周围扩散直到整体破坏，是一个复杂的演变过程。强度指标和失效判据都可以预测材料破坏，本节主要讲解下强度的基础理论。 单层板的强度 层合板的基础单位是单层板，故想要研究层合板强度必先研究单层板强度。由于各向异性单层板基础强度性能有方向性，即沿纤维方向的拉伸强度可能要比横向拉伸高十几倍，所以复合材料在外力下，该材料的主轴方向上的强度不一定会刚刚好与主应变主应力的方向一致。 也正因如此各向同性材料的概念，关于主应力与主应变，并不适于复合材料。 正交各向异性的单层板其强度在一定条件下可以通过实验解决，即当其只在主轴方向有单向应力，。而即使单层板承受单轴应力也不一定恰好作用于主轴方向，我们必须把其偏轴的应力转换到主轴上才可研究其强度。 正交各向异性材料在主方向的剪应力不管是正负其强度相同，但此方向上的拉压强度不同。但在偏轴方向的应力状态中，正负剪会在纤维方向上产生相反应力。正剪要比负剪强度高得多，且对于正剪，纤维向有压缩应力而垂直于纤维向有拉伸应力，因此确定剪切的方向非常关键。 对于复合材料强度估算需要引进五个强度指标， 一Xt纵向拉伸强度 二Xc纵向压缩强度 三Yt基体拉伸强度 四Yc基体压缩强度 五S面内剪切强度 复合材料的工程常数是上述五个基本强度和单层板的四个工程弹性常数E1E2G12v12的统称。 层合板强度 层合板的强度估算是以单层板的强度特性为基础的。在外载荷作用下，破坏是由某一单层失效开始，接着其它层相继失效直到总体破坏，图1。4所示的就是这个过程。层合板的整个破坏过程就是一个单层到总体，存在最先破坏层失效载荷，FPF，和最终破坏的极限载荷，LPF，。 图2。2层合板载荷位移曲线 层合板强度预估步骤如下， 确定单层板的强度判据 确定最先破坏层的失效载荷 层合板刚度修正 计算极限载荷 选材 材料是制约飞机发展的重要因素之一，选择正确的材料，可以提高飞机性能和功能。本节将针对民航飞机来简易研究机翼一些主要结构进行选材。 从目前航空领域的发展来看，金属材料和复合材料是俩个重要的版块，但复合材料是现如今的重点突破对向，还有很大的提升空间，所以我们选材的方向也是以复合材料为主，金属材料为辅。所以本节想针对典型的复合材料客机机翼进行参考。本人经过考虑选择以波音...
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