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大型飞机机身典型结构复合材料结构设计与优化.pdf

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大型 飞机 机身 典型 结构 复合材料 结构设计 优化
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硕 士 学 位 论 文 大 型 飞 机 机 身 典 型 结 构 复 合 材 料 结 构 设 计 与 优 化 作 者 姓 名 王 耀 东 学 科 专 业 飞 行 器 设 计 指 导 教 师 何 景 武 教 授 培 养 院 系 航 空 科 学 与 工 程 学 院Composite structure’s design and optimization research on a typical large aircraft fuselage structure A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate: Wang Yaodong Supervisor: Prof. He Jingwu School of Aeronautics Science and Engineering Beihang University, Beijing, China 中 图 分 类 号 : V223 论 文 编 号 : 10006SY0905541 硕 士 学 位 论 文 大 型 飞 机 机 身 典 型 结 构 复 合 材 料 结 构 设 计 与 优 化 作 者 姓 名 王 耀 东 申 请 学 位 级 别 工 学 硕 士 学 位 指 导 教 师 姓 名 何 景 武 职 称 教 授 学 科 专 业 飞 行 器 设 计 研 究 方 向 飞 行 器 结 构 设 计 学 习 时 间 自 年 月 日 起 至 年 月 日 止 论 文 提 交 日 期 年 月 日 论 文 答 辩 日 期 年 月 日 学 位 授 予 单 位 北 京 航 空 航 天 大 学 学 位 授 予 日 期 年 月 日 关 于 学 位 论 文 的 独 创 性 声 明 本 人 郑 重 声 明 : 所 呈 交 的 论 文 是 本 人 在 指 导 教 师 指 导 下 独 立 进 行 研 究 工 作 所 取 得的 成 果 , 论 文 中 有 关 资 料 和 数 据 是 实 事 求 是 的 。 尽 我 所 知 , 除 文 中 已 经 加 以 标 注 和 致谢 外 , 本 论 文 不 包 含 其 他 人 已 经 发 表 或 撰 写 的 研 究 成 果 , 也 不 包 含 本 人 或 他 人 为 获 得北 京 航 空 航 天 大 学 或 其 它 教 育 机 构 的 学 位 或 学 历 证 书 而 使 用 过 的 材 料 。 与 我 一 同 工 作的 同 志 对 研 究 所 做 的 任 何 贡 献 均 已 在 论 文 中 作 出 了 明 确 的 说 明 。 若 有 不 实 之 处 , 本 人 愿 意 承 担 相 关 法 律 责 任 。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 日 期 : 年 月 日 学 位 论 文 使 用 授 权 书 本 人 完 全 同 意 北 京 航 空 航 天 大 学 有 权 使 用 本 学 位 论 文 ( 包 括 但 不 限 于 其 印 刷 版 和电 子 版 ) , 使 用 方 式 包 括 但 不 限 于 : 保 留 学 位 论 文 , 按 规 定 向 国 家 有 关 部 门 ( 机 构 ) 送交 学 位 论 文 , 以 学 术 交 流 为 目 的 赠 送 和 交 换 学 位 论 文 , 允 许 学 位 论 文 被 查 阅 、 借 阅 和复 印 , 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 , 采 用 影 印 、 缩 印 或 其他 复 制 手 段 保 存 学 位 论 文 。 保 密 学 位 论 文 在 解 密 后 的 使 用 授 权 同 上 。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 日 期 : 年 月 日 指 导 教 师 签 名 : 日 期 : 年 月 日I 摘 要 复 合 材 料 具 有 比 强 度 大 、 比 刚 度 高 , 抗 疲 劳 性 能 好 , 以 及 可 设 计 性 强 等 优 点 , 因 此 ,越 来 越 广 泛 地 应 用 在 航 空 航 天 领 域 , 尤 其 是 在 大 型 客 机 设 计 方 面 。 使 用 复 合 材 料 不 但 可 明显 减 轻 飞 机 结 构 质 量 , 提 高 其 结 构 疲 劳 寿 命 , 还 可 提 高 结 构 效 率 , 改 善 特 定 的 气 动 性 能 ,提 高 飞 机 的 经 济 性 , 舒 适 性 , 和 环 保 性 。 因 此 , 在 过 去 的 30年 里 , 复 合 材 料 在 民 用 飞 机 上的 用 量 不 断 增 加 。 复 合 材 料 在 飞 机 结 构 上 的 用 量 增 加 的 同 时 , 在 飞 机 结 构 中 的 使 用 范 围 也不 断 拓 宽 , 使 用 部 位 从 受 力 不 大 的 部 件 如 整 流 罩 、 前 后 缘 、 扰 流 板 等 次 承 力 部 位 , 到 受 力很 大 的 机 身 、 机 翼 、 水 平 安 定 面 、 垂 直 安 定 面 等 。 本 文 研 究 了 复 合 材 料 在 机 身 结 构 上 的 应 用 , 参 照 有 关 规 定 和 飞 机 设 计 手 册 , 对 150座 级 干 线 客 机 机 身 相 关 结 构 , 长 桁 , 隔 框 , 地 板 梁 等 进 行 结 构 设 计 , 并 确 定 了 铝 合 金 机 身蒙 皮 厚 度 。 并 根 据 此 设 计 结 果 , 利 用 有 限 元 软 件 MSC.Patran进 行 机 身 的 有 限 元 模 型 建 立 ,探 讨 利 用 复 合 材 料 层 合 板 替 代 原 铝 合 金 蒙 皮 的 可 行 性 及 方 法 。 提 出 了 利 用 等 效 刚 度 , 即 板的 三 向 刚 度 等 效 的 方 法 , 使 得 复 合 材 料 层 合 板 与 铝 合 金 板 在 三 个 方 向 的 刚 度 相 等 , 确 定 了复 合 材 料 各 铺 层 的 角 度 和 厚 度 。 利 用 MSC.Nastran对 两 种 模 型 进 行 模 态 分 析 , 使 得 复 合 材料 层 合 板 在 模 态 和 振 型 上 与 原 金 属 板 相 同 或 相 似 , 确 定 了 复 合 材 料 的 铺 层 顺 序 。 然 后 再 利用 MSC.Nastran校 核 在 气 密 载 荷 下 的 复 合 材 料 层 合 板 强 度 和 稳 定 性 , 校 核 后 强 度 和 刚 度 均与 金 属 机 身 蒙 皮 性 能 相 似 , 完 全 可 以 取 代 原 金 属 机 身 蒙 皮 , 且 减 重 效 果 达 34.8%。 计 算 结果 表 明 , 等 效 刚 度 设 计 法 在 大 型 飞 机 上 利 用 复 合 材 料 层 合 板 替 代 原 金 属 结 构 方 面 是 可 行 而且 可 靠 的 。 另 外 , 不 可 避 免 要 在 机 身 结 构 上 布 置 各 种 类 型 、 大 小 不 同 的 开 口 或 开 孔 。 开 口会 改 变 结 构 的 受 力 特 性 。 因 此 有 必 要 对 复 合 材 料 层 合 板 开 口 进 行 仔 细 的 研 究 。 本 文 比 较 了受 均 布 压 力 下 的 铝 合 金 板 开 口 和 层 合 板 开 口 的 应 力 应 变 以 及 变 形 的 异 同 , 研 究 了 机 身 蒙 皮舷 窗 开 口 补 强 设 计 和 优 化 方 案 。 等 效 刚 度 法 和 层 合 板 机 身 开 口 补 强 分 析 和 优 化 旨 为 复 合 材料 在 大 型 飞 机 上 的 应 用 提 供 参 考 。 关 键 词 : 机 身 结 构 , 复 合 材 料 结 构 设 计 , 等 效 刚 度 , 模 态 分 析 , 强 度 , 屈 曲 , 大 开 口 补 强 ,应 力 应 变 II Abstract Composite materials with high specific strength and stiffness, good anti-fatigue performance, as well as strong designability, etc., more and more widely was used in the aerospace sector, especially in large aircraft design. Using of composite materials can significantly reduce not only the quality of the aircraft structure, improve its structure fatigue life, but also improve the structural efficiency, the aerodynamic performance of a particular. Therefore the aircraft's economy, comfort, and environmental protection can all be better. Thus, in the past 30 years, the amount of composite materials in civil aircraft is increasing. While with the amount increase in the use of aircraft structures ,the application range of composite materials in aircraft structure has also been expanding, and the use of parts from the discontinuity large parts such as fairings, front and rear edge spoiler and other times load-bearing parts, to be force large fuselage, wings, horizontal stabilizer, vertical stabilizer and so on. This paper studies the structure of composite materials in fuselage structure applications. Refer to the relevant regulations and aircraft design manual, design the long stringers, bulkheads, floor beams on the 150-level route aircraft fuselage, and determine the aluminum fuselage skin thickness. Based on this design results, establish the finite element model for typical structural part of the fuselage with the finite element software MSC.Patran and explore the feasibility and methods to use of composite laminates to replace the original aluminum skin. Proposed the equivalent stiffness method that makes sure the stiffness of three directions both on the composite laminates and aluminum alloy plate are equal. According to this method, determine the composite layering angle and thickness. After analysis the mode shapes of composite laminate and aluminum alloy plate with the software MSC.Nastran, make sure that the two models have the same or similar model shapes and nature frequency to determine the stacking sequence of composite materials. And then check the composite laminate strength and stability in the air-tight load with the software MSC.Nastran, and the strength and stiffness has the similar performance to metal fuselage skin, so composite laminate can replace the original metal fuselage skin with weight loss of 34.8%. The results show that the equivalent stiffness design method on converting the III original metal structure to composite laminates about large aircraft is a feasible and reliable. In addition, the inevitable structural arrangement of various types, different sizes of openings or holes needs us to study the performance after the opening on the laminate. Large size opening will change the force characteristics of the structure, so it is necessary to carefully study on the laminated composite plates with large size opening or holes. This paper compares similarities and differences of the stress, strain and deformation between the aluminum alloy plate and the laminate with opening under uniform pressure, and also studies the fuselage skin porthole opening reinforcement design and optimization program. Equivalent stiffness method and analysis and optimization on reinforced laminates of body openings can both provide a reference on composite materials application in the large aircraft of China. Key words: fuselage structure, composite material structural design, equivalent stiffness, mode analysis, strength, buckling, cut-out repaired reinforce, stress and strain IV 目 录 第 一 章 绪 论 ............................................................................................................... 1 1.1 引 言 ........................................................................................................................ 1 1.1.1 研 究 背 景 及 意 义 ................................................................................................ 1 1.1.2 复 合 材 料 的 定 义 和 分 类 ...................................................................................... 1 1.1.3 复 合 材 料 的 优 缺 点 ............................................................................................ 2 1.2国 内 外 研 究 现 状 ...................................................................................................... 4 1.2.1 复 合 材 料 在 航 空 业 内 应 用 现 状 ............................................................................ 4 1.2.2 飞 机 机 身 结 构 设 计 现 状 ...................................................................................... 6 1.2.3 复 合 材 料 的 开 口 补 强 研 究 现 状 ........................................................................... 7 1.3 本 论 文 的 主 要 研 究 内 容 ......................................................................................... 8 第 二 章 机 身 典 型 结 构 设 计 ....................................................................................... 10 2.1机 身 结 构 设 计 要 求 ................................................................................................ 10 2.1.1 机 身 的 功 用 ..................................................................................................... 10 2.1.2 结 构 设 计 要 求 ................................................................................................. 10 2.2复 合 材 料 结 构 设 计 要 求 ........................................................................................ 11 2.2.1 复 合 材 料 结 构 设 计 要 求 .................................................................................... 11 2.2.2 复 合 材 料 结 构 工 艺 性 要 求 ................................................................................ 12 2.3机 身 结 构 设 计 ........................................................................................................ 13 2.3.1 机 身 载 荷 工 况 ................................................................................................. 13 2.3.2 机 身 结 构 形 式 ................................................................................................. 14 2.3.3 机 身 各 构 件 的 设 计 .......................................................................................... 15 2.4机 身 大 开 口 结 构 设 计 要 求 ..................................................................................... 18 2.4.1 机 身 结 构 开 口 种 类 .......................................................................................... 18 2.4.2 开 口 补 强 设 计 ................................................................................................. 19 2.5 MSC.Patran/Nastran软 件 介 绍 ............................................................................... 19 2.5.1 MSC.Patran 介 绍 ............................................................................................. 20 2.5.2 MSC.Nastran 主 要 功 能 ..................................................................................... 21 第 三 章 复 合 材 料 层 合 板 机 身 蒙 皮 设 计 与 研 究 ............................................................. 23 3.1复 合 材 料 强 度 和 刚 度 理 论 ..................................................................................... 23 3.1.1 复 合 材 料 力 学 ................................................................................................ 23 3.1.2 复 合 材 料 破 坏 标 准 .......................................................................................... 25 3.1.3 单 层 板 的 强 度 准 则 .......................................................................................... 25 V 3.1.4 单 层 板 偏 轴 刚 度 .............................................................................................. 27 3.2 等 代 设 计 法 设 计 复 合 材 料 机 身 蒙 皮 厚 度 ............................................................. 29 3.2.1 等 代 设 计 法 ..................................................................................................... 29 3.2.2 复 合 材 料 蒙 皮 厚 度 确 定 .................................................................................... 30 3.3复 合 材 料 机 身 层 合 板 铺 层 设 计 与 优 化 ................................................................. 31 3.3.1 复 合 材 料 蒙 皮 铺 层 顺 序 设 计 与 优 化 ................................................................... 31 3.3.2 固 有 频 率 和 模 态 对 比 计 算 ................................................................................ 34 3.3.3 有 限 元 计 算 铝 合 金 及 复 合 材 料 蒙 皮 刚 度 位 移 ..................................................... 35 3.4 增 压 载 荷 工 况 下 金 属 及 复 合 材 料 蒙 皮 强 度 计 算 分 析 ......................................... 37 3.4.1 铝 合 金 机 身 蒙 皮 强 度 计 算 ................................................................................ 37 3.4.2 复 合 材 料 机 身 蒙 皮 强 度 计 算 ............................................................................. 40 3.5剪 力 载 荷 工 况 下 金 属 及 复 合 材 料 蒙 皮 稳 定 性 比 较 .............................................. 45 3.5.1 铝 合 金 机 身 蒙 皮 稳 定 性 计 算 ............................................................................. 45 3.5.2 复 合 材 料 机 身 蒙 皮 稳 定 性 计 算 .......................................................................... 47 第 四 章 复 合 材 料 层 合 板 机 身 蒙 皮 开 口 补 强 设 计 和 优 化 .............................................. 48 4.1复 合 材 料 层 合 板 开 口 应 力 理 论 推 导 ..................................................................... 48 4.2金 属 板 与 层 合 板 开 口 有 限 元 计 算 对 比 ................................................................. 49 4.3蒙 皮 开 口 补 强 设 计 和 优 化 ..................................................................................... 53 4.3.1 机 身 蒙 皮 开 口 后 应 力 应 变 及 变 形 ...................................................................... 53 4.3.2 开 口 补 强 方 案 ................................................................................................. 56 4.3.3 优 化 改 进 方 案 ................................................................................................. 60 结 论 与 展 望 ................................................................................................................ 63 1.结 论 .......................................................................................................................... 63 2.展 望 .......................................................................................................................... 64 参 考 文 献 .................................................................................................................... 65 攻 读 硕 士 学 位 期 间 取 得 的 研 究 成 果 ......................................................................................69 致 谢 ..........................................................................................................................................70 VI 图 录 图 1 A380复 合 材 料 应 用 情 况 ............................................................................................ 5 图 2 B787复 合 材 料 应 用 现 状 ............................................................................................ 5 图 3 机 身 垂 直 面 内 外 载 荷 及 内 力 图 ................................................................................ 14 图 4 半 硬 壳 式 结 构 示 意 图 ............................................................................................... 15 图 5 加 强 框 截 面 尺 寸 ....................................................................................................... 16 图 6 普 通 框 截 面 尺 寸 ....................................................................................................... 16 图 7 桁 条 截 面 尺 寸 ........................................................................................................... 17 图 8 中 空 口 框 内 力 与 外 形 关 系 图 ......................................
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