民用飞机复合材料机翼固定前缘结构设计研究

复合材料机翼前缘柔性机构拓扑优化设计赵立杰1，李凯1，常莹莹1，李景奎2（1.沈阳航空航天大学通用航空重点实验室，辽宁沈阳110136；2.沈阳航空航天大学民用航空学院，辽宁沈阳110136）来稿日期：2020-01-02基金项目：辽宁省科学技术基金（201602578）作者简介：赵立杰，（1964-），男，辽宁阜新人，博士研究生，副教授，主要研究方向：智能材料与智能结构1引言柔性机构的应用研究已成为结构优化设计的热点[1]。

与传统机翼相比，柔性机翼能够实现前后缘结构的连续形状变化[2]。

这种机翼可随飞行条件的改变自动改变机翼的形状，进而提高飞机飞行性能[3]。

柔性机构前后缘可变化机翼的设计思想最初由文献[4]提出。

文献[5]用基础结构法对机翼后缘柔性机构进行了拓扑优化设计。

文献[6]采用SIMP 刚度-密度插值法获得了清晰的机翼前缘拓扑结构。

文献[7]利用载荷路径法对柔性机翼前后缘进行拓扑优化设计。

文献[8]采用SIMP 插值和遗传算法相结合的方法，得到了稳定的拓扑结构。

目前对于机翼前后缘柔性机构的拓扑优化研究多以单相各向同性材料为主。

相比于单相材料，纤维增强复合材料因其材料性能优越，广泛应用于航空航天、汽车等诸多行业[9]。

而复合材料的铺层铺角方式直接决定着材料的力学性能，对复合材料铺层铺角的优化设计成为学者关注和研究的重点。

文献[10]对在轴向压力和剪力下四边简支层合板的最优纤维铺设方向进行了优化设计。

摘要：以NACA2418标准翼型前缘为研究对象，提出一种基于离散材料优化（DMO ）法的复合材料机翼前缘柔性机构拓扑优化设计方法。

将离散材料优化（DMO ）法与拓扑优化相结合，设计一种机翼前缘柔性机构来实现自适应连续变形，选定机翼前缘上10个离散点的实际位移与目标位移的偏差为目标函数，采用统一拓扑和多相材料优化的材料插值方案建立数学模型，最后用OC 优化准则求解。

利用MATLAB 编程获得机翼前缘的拓扑结构，使用CATIA 对拓扑结构进行三维建模，最后将得到的三维几何模型导入Hyperworks 软件进行仿真分析。

飞机前缘装配技术研究发布时间：2021-01-13T07:12:05.497Z 来源：《中国科技人才》2021年第1期作者：田天[导读] 飞机前缘装配型架用于实现前缘各零组件的架上定位装配。

中航西安飞机工业集团股份有限公司陕西西安 710089摘要：飞机前缘装配型架用于实现前缘各零组件的架上定位装配。

产品具有展向尺寸长，内部空间狭窄的特点。

本文简要阐述了型架的设计过程和安装方法：如何综合考虑型架的准确定位要求，刚度要求，稳定性要求，工艺性要求，安全性要求等因素进行型架设计。

关键词：前缘；装配一. 产品介绍及装配要求前缘产品长度超过10米，最宽处约半米，最窄处与最窄处相差3倍、共有5段蒙皮。

产品具有单个零件长度特别长，产品及其零组件上下架困难，并且在产品装配过程中零件需要多次上下架的特点，对工装的开敞性，如何提高工作效率、降低工人劳动强度的要求高.固定前缘产品包括：前梁（含滑轨套筒）、前缘加强隔板、前缘机加肋、发动机吊挂接头交点、前缘上翼面蒙皮、下翼面口盖、前缘吊挂整流罩结构组件、前缘角片、前缘加强隔板密封件等在内的装配件。

本工装采用骨架定位方式。

产品装配顺序如下： 1）定位前梁:前梁的定位为设置2处前梁定位器，12处前梁托件组件。

2）定位发动机吊挂接头交点:设置发动机吊挂接头定位器。

3）定位前缘加强隔板交点:设置12组加强隔板交点定位器。

前缘加强隔板处共有四个交点，选取与第一工序型架上相同的2个交点作为定位基准，从下翼面伸定位器。

4）定位前缘上翼面蒙皮，钻制连接孔:前缘上翼面蒙皮在展向方向上为净边，与前缘机加隔板端面齐平，在航向方向上采用压紧卡板，贴合前缘蒙皮外形，并在卡板上画出蒙皮边缘线的方式。

定位后钻制前缘蒙皮和加强隔板、机加肋连接孔。

5）定位前缘下翼面口盖，钻制连接孔:前缘下翼面口盖在展向方向上为净边，与前缘机加隔板端面齐平，在航向方向上采用压紧卡板，贴合前缘蒙皮外形，并在卡板上画出上下蒙皮边缘线的方式。

复合材料飞机结构综合优化设计系统研究一、本文概述随着航空工业的快速发展，复合材料因其独特的性能优势，如轻质、高强度、良好的抗疲劳性能以及设计灵活性等，已被广泛应用于飞机结构制造中。

复合材料飞机结构的设计和优化对于提高飞机性能、降低运营成本以及实现绿色可持续发展具有重要意义。

然而，复合材料飞机结构的设计优化涉及多个方面，包括材料选择、结构设计、制造工艺、性能分析等，是一个复杂且富有挑战性的系统工程问题。

本文旨在研究《复合材料飞机结构综合优化设计系统》的构建与应用。

我们将深入探讨复合材料飞机结构的设计特点、优化方法以及系统设计等方面的关键技术。

我们将分析复合材料飞机结构的设计原则和优化目标，研究如何通过合理的材料选择和结构设计来提高飞机的性能和安全性。

我们将研究复合材料飞机结构的制造工艺和质量控制方法，以确保设计的可行性和可靠性。

我们将构建一个综合优化设计系统，实现复合材料飞机结构设计的自动化和智能化，以提高设计效率和优化质量。

通过本文的研究，我们期望能够为复合材料飞机结构的设计优化提供一套科学、高效的方法论和工具支持，推动复合材料飞机结构设计的创新与发展，为航空工业的可持续发展做出贡献。

二、复合材料飞机结构基础知识复合材料飞机结构的设计和优化，首先需要深入理解复合材料的基本特性和其在飞机结构中的应用原理。

复合材料，由两种或多种具有不同物理和化学性质的材料通过物理或化学的方法组合而成，能够展现出单一材料所不具备的优异性能，如高强度、高刚度、低密度、耐高温、耐腐蚀等。

在飞机结构中，复合材料主要用于制造机翼、机身、尾翼等部件，以减轻飞机重量、提高飞行性能。

复合材料飞机结构的设计，需要充分考虑材料的力学特性，如弹性模量、剪切模量、泊松比等，以及其在不同温度和湿度环境下的性能变化。

复合材料的制造工艺也是设计优化过程中必须考虑的因素。

常见的复合材料制造工艺包括手工铺层、自动铺带/铺丝、热压罐成型、真空袋成型等。

基于复合材料的飞机机翼结构设计与分析随着科技的不断发展，飞机作为一种重要的交通工具，在人们生活中扮演着越来越重要的角色。

而在现代飞机的设计中，机翼的结构设计具有至关重要的作用。

近年来，基于复合材料的飞机机翼结构设计与分析逐渐成为研究的热点。

首先，我们来了解一下飞机机翼的结构。

飞机机翼是飞机的重要组成部分，承载飞机自重及飞行动力产生的各种载荷，同时具有满足飞行稳定性和机动性的功能。

在传统的设计中，机翼多采用金属材料，如铝合金。

然而，随着科技的进步，复合材料逐渐应用到飞机机翼的设计中。

复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀、抗疲劳等优点，因此在航空航天领域有广泛的应用。

复合材料由两种或以上的不同材料组成，通常是将纤维与基体材料复合而成。

纤维材料主要用于承受拉力，而基体材料则用于传递压力。

常见的纤维材料有碳纤维、玻璃纤维等，基体材料可以是树脂、金属等。

这样的组合能够使复合材料具有独特的力学性能。

基于复合材料的飞机机翼结构设计与分析，首先需要对材料的力学性能进行深入研究和分析。

通过试验和数值模拟等手段，可以了解材料在不同载荷下的变形、破坏行为以及其它力学性能。

同时，还需要对材料的制造工艺进行研究，以保证机翼的质量和稳定性。

在飞机机翼的结构设计中，考虑到复合材料的特性，不仅要满足飞机的强度和刚度要求，还需要兼顾材料的疲劳寿命、抗冲击性能等。

另外，还需要考虑到材料的热膨胀系数、导热性能等因素，以提高空中飞行中的稳定性和安全性。

因此，在机翼结构设计中，需要综合考虑多个因素，通过优化设计，使机翼能够更好地适应不同的载荷和环境条件。

同时，在飞机机翼结构设计中，还需要考虑到制造和维修的可行性。

复合材料的制造过程相对复杂，需要特定的工艺和设备。

而对于飞机机翼这样的大型构件，制造和维修的难度更加突出。

因此，设计人员需要充分考虑到制造和维修过程中的实际情况，选择合适的工艺和材料，以提高机翼的制造和维修效率。

基于复合材料的飞机机翼结构设计与分析不仅可以提高飞机的性能，还可以减轻整个飞机的重量。

飞机机翼结构的复合材料优化设计随着科技的不断进步，飞机的设计和制造也在不断演进。

其中，飞机机翼结构作为飞行过程中最重要的部分之一，其设计及制造工艺也在持续改进。

复合材料是一种非常适合用于飞机机翼结构的材料，它具有轻质、高强度和良好的耐久性等优点。

在本文中，将探讨飞机机翼结构的复合材料优化设计。

首先要了解的是，飞机机翼结构的优化设计需要考虑多个方面。

其中最主要的因素是飞行载荷、航行速度和机翼形状。

飞行载荷通常由飞机的重量和飞行动力引起，而航行速度和机翼形状则直接影响到机翼受力和飞行性能。

复合材料的选择非常关键。

传统的金属结构有一定的局限性，如重量较重、容易疲劳等。

而复合材料则克服了这些问题，它由多种材料的有机组合形成，如碳纤维、玻璃纤维和纺织物等。

这些材料具有高强度、低密度的特点，能够满足飞机机翼结构对轻量化和高强度的要求。

同时，复合材料的耐久性和抗腐蚀性也较金属材料优越。

在进行复合材料的优化设计时，首先需要确定机翼的结构类型。

常见的机翼结构有蜂窝结构、热固性胶合结构和复合材料龙骨结构等。

每种结构类型都有其独特的优点和应用范围。

例如，蜂窝结构具有较高的拉伸强度和压缩强度，适用于大型飞机的机翼设计；而热固性胶合结构则具有更好的抗腐蚀性能，适用于海洋环境中的飞机。

一旦确定了机翼的结构类型，接下来就是进行材料层压的优化设计。

层压是指将不同材料的薄片按一定的叠放方式进行复合而成。

在层压设计中，需要考虑材料的类型、厚度和叠放顺序等因素。

不同的层压方式会直接影响到机翼的强度、稳定性和振动特性。

在层压设计中，常用的方法是使用有限元分析软件进行模拟计算。

有限元分析是一种基于数值方法的力学分析技术，可以模拟真实环境下的机翼受力和变形情况。

通过有限元分析，可以对机翼的层压结构进行优化，以满足飞行载荷和航行速度的要求。

同时，还可以通过对不同材料进行试验测试，更准确地确定材料的力学性能和疲劳寿命，以确保机翼的安全性和可靠性。

新型复合材料在飞行器制造中的应用研究在现代航空航天领域，飞行器的性能和质量要求不断提高，新型复合材料因其出色的性能特点，在飞行器制造中扮演着日益重要的角色。

这些材料不仅能够减轻飞行器的重量，提高燃油效率，还能增强结构强度和耐久性，为飞行器的设计和制造带来了全新的可能性。

一、新型复合材料的种类及特点1、碳纤维增强复合材料（CFRP）碳纤维增强复合材料是由碳纤维与树脂基体复合而成。

碳纤维具有高强度、高模量的特点，而树脂基体则提供了良好的韧性和耐腐蚀性。

CFRP 的比强度和比模量远高于传统金属材料，使其在减轻飞行器结构重量方面表现出色。

同时，它还具有良好的抗疲劳性能和抗腐蚀性能，能够延长飞行器的使用寿命。

2、玻璃纤维增强复合材料（GFRP）玻璃纤维增强复合材料由玻璃纤维和树脂基体组成。

虽然其性能不如碳纤维增强复合材料，但具有成本较低、加工性能好等优点。

在一些对性能要求不是特别高的飞行器部件中，如非承力结构件、内饰件等，GFRP 得到了广泛应用。

3、芳纶纤维增强复合材料（AFRP）芳纶纤维具有优异的抗冲击性能和耐高温性能，与树脂基体复合后形成的 AFRP 在防弹、抗冲击防护等方面具有独特的优势。

在飞行器制造中，AFRP 常用于制造飞机的舱门、机翼前缘等部位，以提高飞行器的抗冲击能力和安全性。

4、陶瓷基复合材料（CMC）陶瓷基复合材料具有耐高温、高强度、抗氧化等优异性能，适用于飞行器的高温部件，如发动机热端部件、燃烧室等。

CMC 能够承受高温燃气的冲刷和腐蚀，提高发动机的工作效率和可靠性。

二、新型复合材料在飞行器结构中的应用1、机翼和机身结构新型复合材料在机翼和机身结构中的应用可以显著减轻重量，提高结构效率。

例如，波音 787 客机的机身结构大量采用了 CFRP，其重量比传统铝合金机身减轻了 20%左右，大大降低了燃油消耗。

同时，复合材料的可设计性使得机翼和机身的气动外形能够得到更精确的优化，提高了飞行器的飞行性能。

复合材料机翼翼根处连接研究赵艳秦，魏士礼(中航沈飞民用飞机有限责任公司，沈阳110000)摘要：复合材料在民用飞机上使用比例越来越高,文中针对单通道民用飞机复合材料外翼翼根处连接设计做了详细的描 述，因为翼根处是飞机的外翼、中央翼盒和中机身界面位置，是飞机设计中的重点也是难点。

翼根处连接方案的确定是设计 中关键的技术，怎样处理中央翼前/后梁和竖十字接头的连接、外翼前/后梁和竖十字接头的连接、中央翼上下壁板和外翼上 下壁板连接、零件材料的选择、紧固件使用和翼根处密封设计要求等等，文中都做了详细介绍。

关键词：翼根连接;对接;角盒;复合材料设计中图分类号:V224 文献标志码:A文章编号：1002-2333(2017)05-0099-040引言复合材料在民用飞机结构上应用比例越来越高，相 对于金属材料，复合材料具有比较高的比强度、比刚度及 良好的抗疲劳性和耐介质腐蚀性[1]。

单通道飞机机翼盒段 采用了复合材料结构使其具有高结构效率、高可靠性、长 寿命和低全寿命期费用[2]。

在相同强度和刚度要求前提 下，与金属材料上/下壁板、前/后梁构成的单通道飞机外 翼盒段结构相比，复合材料构成的上/下壁板、前/后梁构 成的外翼盒段结构，可以实现减重10%~15%的目标。

较飞 机金属机翼盒段的检测间隔延长1.5倍。

维护成本和直接 运营成本(DOC)明显降低。

从图1可以看出，翼根连接是 中央翼盒、外翼和中机身连接的界面，翼根处的几个关键 零件如水平十字接头、垂直十字接头、拉伸角盒对接带板 等设计是翼根连接设计的重中之重。

图1翼根爆炸图1翼根处受力分析翼根是连接中央翼盒、中机身侧壁板和外翼的枢纽，中央翼盒承受对称弯矩酝载见图2。

机翼上壁板受压，下壁 板受拉。

翼根主要是把分布在机翼上的空气动力、惯性力 和起落装置等的集中力传递到机身上，与装载的及结构 的惯性力平衡。

并在中央翼盒上达到平衡，有少量的转矩传到中机身侧壁板和龙骨梁。

复合材料在当代飞机结构上的应用研究摘要：到目前为止，复合材料已经发展成四种主要的航空结构材料之一，在得到航空领域的认可后，它被越来越多的运用到机体结构的建造中。

复合材料在发展过程中，一共经历了从非承力到次承力再到机尾、机身主承力构件的四个阶段。

复合材料;机身构造材料的应用在航空工业的不断发展过程中，人们开始对飞机的性能有了更高的要求，这给了复合材料施展才能的舞台，在市场需求的能动作用下，复合材料的研发工作稳步进行。

复合材料具有的主要特性即高强度质量比等使得它成为了现阶段航空制造业的理想基础材料。

1 复合材料的组成及分类1.1 组成复合材料指两种或多种具有不同物理和化学性质的物质组成的多相固体物质。

复合材料中包含有增强体和基体，分别是用来提高材料的承重性与材料的物质间传递应力的。

复合材料不仅拥有了构成它的单个零件的长处，并且总体性能高于任何一个它的组成体。

1.2 分类我们按照常规分类将复合材料分为：①从材料的类型入手将其分为：树脂、金属、非金属三类;②根据增强体的类型和外观分类为：纤维、颗粒、夹层三类增强型材料;③根据其性能的不同可分为结构复合材料和功能复合材料。

2 我国复合材料技术运用的现状复合材料在现代中国飞机结构中的应用遵循世界发达国家的发展过程，稳步前行，控制面上的复合结构应用在我国的军用和民用飞机上一边的十分常见。

在得到实验结果的验证后，先进的复合材料已应用于Yun-7系列支线飞机的底盘和舵盘的结构。

尾翼结构的应用始于20世纪80年代末期，并在20世纪90年代中期成功完成了Yun-7复合材料的研制和开发，成功获得了适航证书。

在多年的初步研究工作和众多研发实践工作的不断开展后，我国在这场持久战中取得了丰硕的成果，并初步建立了高水平，低成本的复合材料制造能力。

大量的低成本的制造技术在不断地发展过程中渐趋成熟，一些先进的技术已被运用到产品的制造工艺中，未成熟的技术也在不断的实验以验证工艺可行性。