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客機復合材料舵面結構的有限元分析

發布于:2024-01-02 19:20
有限元分析

      舵面是操縱飛機的部件,包括方向舵、升降舵和副翼。舵面功能主要是保證飛機橫向和縱向的平衡,以及實現飛行員對飛機橫向和縱向的操縱,其通過兩點或多點分別懸掛在水平安定面、垂直安定面、機翼上。主要外載荷為偏轉氣動載荷。氣動載荷產生的剪力通過懸掛接頭以集中力的形式傳給安定而或機翼圖,氣動載荷相對于轉軸的力矩由操縱臂上的操縱力與懸掛接頭的支反力構成的力矩平衡。
      隨著先進復合材料技術的不斷發展和成熟,復合材料在民機上的應用程度進入了前所未有的階段。波音、空客等空中巨頭爭先在先進飛機中使用復合材料,以達到減輕結構重量,降低運營成本,提高舒適性等目的。舵面作為控制飛行姿態的重要結構,在當今民機中大多是采用全復合材料,因此在民機舵面設計中,復合材料的靜強度校核是最基礎也是最重要的一節。對于飛機結構設計者來說,首先必須考慮的問題就是結構的有限元分析。
      復合材料靜強度的設計要求包括:
      (1)按許用應變設計的復合材料結構,一般應按使用載荷設計、按設計載荷校核,其中工作應變取主應變。
      (2)結構強度計算用的許用值,分為使用許用值和設計許用值,分別對應于最大使用載荷和最大設計載荷。
      (3)復合材料結構安全系數取自現行的強度規范和專門為型號指定的強度計算原則。
      (4)強度計算時一般應采用蔡-胡(TsarWu)失效判據。
      (5)復合材料的力學性能受溫度影響較大,因此當結構使用溫度范圍很寬或復合材料性能在不同溫度下變化很大時,應力分析性能數據可以按結構使用溫度劃分溫度區間,材料彈性常數取相應溫度區間內的平均值,強度計算用相應區間的許用值。而選取相應溫度區間各飛行情況中的最大使用載荷作為設計載荷,同時取相應溫度區間的許用值進行強度計算。
      本課題靜強度校模型是國內某型號支線客機的舵面,主要針對蒙皮、肋、梁等復合材料的靜強度校核,同時也對3片鋁合金耳片和鋁合金操作桿進行分析。
      本課題的研究對象是某型支線飛機的復合材料方向舵結構,采用的是單梁式結構,其主要元件有前梁、后墻、肋、端肋、蒙皮、調整片、操縱桿等,舵面的寬約1.1m,高3m。該舵面結構的縱向元件是由前梁和后墻構成,橫向元件由7根盒段肋和9根前緣肋構成。舵面后緣下端有調整片,通過鉸鏈與舵面后墻連接,由調整片和操縱桿操縱。肋、梁和蒙皮之間的相互連接為膠接連接,耳片等接頭與梁則采用螺栓連接。舵面3個接頭耳片和操作桿采用鋁合金材料,彈性模量為70000 MPa,切變模量為27000 MPa,泊松比0.3。除接頭耳片外,各結構都采用復合材料,設計采用的鋪層單元有單向帶和雙向布,單層厚度分別為0.104mm和0.218mm,其中雙向布為±45°方向鋪設,另外對于調整片還采用了泡沫夾芯材料。
      利用PATRAN軟件對整個舵面建立有限分析模型,整個舵面結構基木選用板單元;對于操縱桿,選用2節點的桿單元;對于調整片,應選用8節點的六而體單元,最終的有限元模型有17454個單元,112個多點約束。
      在該舵面結構中,涉及到的連接并不多,肋和梁、肋和蒙皮之間通過幾何建模合成為一體進行分析。調整片和主舵面之間的雙支點鉸鏈連接,耳片接頭和梁之間的螺栓連接,以及操縱桿與耳片的連接都是通過設置多點約束來對真實的結構進行模擬的。


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