[发明专利]一种可用于直升机和固定翼飞行器的复合材料梁设计方法

说明书

技术领域

本发明属于飞行器结构设计技术领域，具体涉及一种可用于直升机和固定翼飞行器的复合材料梁设计方法，可以应用于概念设计阶段直升机旋翼和固定翼机翼的剖面结构设计。

背景技术

直升机旋翼和固定翼飞行器机翼是飞行器结构的重要组成部份，直接承受气动力，并为直升机和固定翼飞行器提供升力和操纵力。它们具有一个共同的特点：均为细长结构，因此在分析中往往被简化为梁结构。梁结构剖面特性对直升机和固定翼飞行器总体性能有重要影响。其剖面刚度特性是进行气动弹性分析和动力学设计的基础，合理的结构刚度能够大大提高动稳定性。剪心位置同样十分重要，作用在剪心的力将不会产生附加的扭矩，所以合理设置剪心和气动中心的相对位置对于减小剖面扭矩具有重要作用。在进行直升机或者固定翼飞行器设计的过程中，往往首先以梁剖面刚度特性、质量特性和剪心位置等作为设计变量对直升机或者固定翼飞行器的总体性能进行优化设计。然而为了达到指定的刚度特性和剪心位置等剖面性能，需要采用合适的材料和结构型式，但是如何选择并合理布置结构才能使得复合材料梁剖面达到指定的特性对飞行器结构设计非常重要。

由于复合材料优良的力学特性和较高的可设计性，在现代直升机和固定翼飞行器设计中已经取代传统的木质和金属材料成为了旋翼和机翼设计的主要材料之一。虽然复合材料的应用为直升机和固定翼飞行器设计提供了更多的选择，但是同样也使得梁结构设计变得更加复杂。传统的复合材料梁设计方法往往在拓扑结构不变的情况下采用复合材料的铺层角度、厚度和材料等作为设计变量，但是通过优化得到的旋翼和机翼剖面结构的拓扑型式没有改变，因此存在设计空间较小，可能难以满足指定的刚体特性和剪心位置等要求。

发明内容

针对传统的复合材料梁设计方法的不足，本发明提出将拓扑优化设计方法应用于复合材料梁设计，通过对材料类型及其分布进行重新设计，从而改变梁剖面结构的材料连接方式和相互关系，能够改变其拓扑结构型式，并得到指定刚度特性和剪心位置的复合材料梁结构。

本发明的基本技术方案是首先根据直升机和固定翼飞行器总体设计要求确定复合材料梁的气动外形、候选的材料类型及其材料常数和剖面特性，由此得到复合材料梁优化设计模型；其次建立复合材料梁剖面有限元模型；然后求解优化复合材料梁剖面有限元模型，得到最优的材料分布规律；最后根据材料分布得到梁剖面的拓扑结构。具体通过如下步骤实现：

（1）根据直升机或固定翼飞行器总体设计要求确定复合材料梁的气动外形、候选的材料类型及其材料常数和剖面特性，由此建立复合材料梁优化设计模型；

（2）建立复合材料梁剖面有限元模型，并且每一种材料在每一个有限元单元均对应一个设计变量，即体积分数；

（3）采用建立的复合材料梁优化设计模型对复合材料梁剖面有限元模型进行优化设计，得到最优的材料分布规律；

（4）由材料分布规律得到最佳的梁剖面的拓扑结构。

根据本发明提供的设计方法得到的复合材料梁考虑了多种材料类型，并且能够得到最佳的材料分布规律，为进一步进行气动弹性分析和动力学设计提供更多的选择，进而最大限度的改善直升机或固定翼飞行器的性能。

本发明提出的方法具有如下优点：

(1)复合材料梁可以考虑任意种类的材料，并为剖面设计提供更多的选择，最大限度提高直升机和固定翼飞行器的性能。

(2)采用刚度特性或者剪心位置等作为优化设计目标，并可以改变梁剖面的拓扑结构，从而实现指定的设计目标。

附图说明

图1是直升机和固定翼飞行器设计流程图；

图2是本发明中复合材料梁优化设计流程图；

图3是复合材料梁上梁剖面内坐标示意图；

图4是纤维平面示意图；

图5是纤维示意图；

图6是方形剖面的纤维方向示意图；

图7是方形剖面的纤维平面方向示意图；

图8是NACA0018剖面纤维方向示意图；

图9是NACA0018剖面纤维平面方向示意图。

图中:

1、复合材料梁；  2、坐标系统；  3、梁剖面；  4、纤维平面；

5、纤维平面角度；    6、纤维角度；  7、纤维。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提出的一种可用于直升机和固定翼飞行器的复合材料梁设计方法进行详细说明。