[发明专利]一种复合材料变形翼的计算设计方法

说明书

本发明公开一种复合材料变形翼的计算设计方法、概念以及不同飞机叶片转速下有小角度铺层自适应变扭角复合材料叶片。本发明利用多尺度复合材料力学研究有小角度铺层的叶片在离心力作用下的扭转和拉伸的耦合关系，提出了新的混合定理和层合理论，再结合有限元法得到叶片的扭转变形，并采用神经网络来建立交叉学科之间的联系。复合材料变形翼可以广泛的应用在商业和军用直升飞机机翼以及飞机发动机风扇叶片上。新型叶片随着转速不同而自适应的改变叶片的扭角，从而有效改进了叶片在变工况下的空气动力学性能，改善了固定扭角直升飞机叶片在变工况下扭角不能改变而造成的空气动力学性能不够好的问题，提高飞行器变工况的机动性。

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，特别涉及一种复合材料扭转叶片的设计的方法。

背景技术

在国家重点项目中，提出了对发展航空发动机和燃气轮机的要求，特别是航 空发动机专项方面的涡扇领域，同时兼顾有一定市场需求的涡桨领域。这些领域 都是中国与西方发达国家有明显差距的“卡脖子”领域。因此，对直升机机翼的 研究有重大意义，我们也可以以先进国家对直升机叶片的研究方向作为参考来对 直升机机翼进行必要的探索研究，这有助于提升自主设计水平，突破共性关键技 术与工程化、产业化瓶颈，提高创新发展能力和国际竞争力，抢占竞争制高点。

随着科学技术的发展，人们对高性能结构材料的要求越来越高，高性能结构材料的研究与开发是永恒的主题。所谓高性能结构材料是指高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、抗磨损的结构材料。对动力机械来说，工作温度愈高，比强度和比刚度要求愈高，效率也愈高，这个时候复合材料就应运而生。复合材料在过去50年的大量应用为航空工业开辟了新的前景，与传统的金属结构相比，这些材料有高比强度、高比刚度和设计性能等优点。复合材料广泛应用于航空航天、石油化工、机械工程、能源、热力等工程领域。例如图1某先进型号直升机叶片和发动机的风扇就用到了相当多的复合材料。

复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。同时，很多领域对材料性能的要求不断提高。传统的层合复合材料作为结构材料，在剪切强度、抗冲击性、断裂韧性等性能上均有弱点，而编织复合材料(见图2)的这些性能都优于传统的单向复合材料。

叶片(桨叶)(见图3)作为飞行器最关键的部件之一，其设计优劣决定了飞行器的飞行性能。叶片扭角是直升机旋翼桨叶运动参数中一个主要参数，直接反应了直升机旋翼叶片扭矩和气动性能。叶片扭曲可以有效的延迟失速。扭叶片可以使得叶根攻角较高，叶尖攻角比较低，这样叶片产生的升力沿叶片长度方向，更均匀地分布。因此，对直升机叶片扭转角的分析具有十分重要的研究意义。

在过去的几十年里，转子在各种飞行状态下的高振动和噪声以及相对较低的性能特性一直是旋翼机气动领域关注的关键问题。各种控制的概念和机制已经被研究作为潜在的工程解决方案来解决这个问题。一个8米长的复合材料叶片，它的扭角通常在15度以内,过分大的扭角会产生较大的颤振和噪音。为了减少颤抖，复合材料叶片可以在进气边加配重如图4所示的玻璃纤维平衡管。直升机旋翼装置可以绕机翼轴由朝上方与朝前方之间转动角度，并能固定在所需方向，因此能产生向上的升力或向前的推力。但是直升机旋翼在旋转过程中，在气流和结构设计自身旋转的双重作用下，旋翼会产生一定的颤振扭转变形，这种变形会使得复合材料产生热,从而会极大地减少旋翼的使用寿命，并且产生噪音。

本发明以斯科斯基复合材料叶片S61为研究对象和现有设计研究基础，首次提出复合材料变形翼的概念以及不同转速下有小角度铺层自适应变扭角复合叶片。复合材料变形翼是世界上的一个首创，它是基于世界500强产业链内的最先进的技术上的进一步创新，只有在最先进的产业链基础上的创新，才有可能做到产业链内的需求牵引。本研究内容的创新之处为：

第一、利用多尺度复合材料力学研究有小角度铺层(如图5所示)结构的叶片在离心力作用下的扭曲和拉伸的耦合关系。提出新的适应于小角度铺层复合材料的混合定理，层合理论和本构关系。