大型飞机机身典型结构复合材料结构设计与优化

admin · 发表于 2022-5-16 22:36:39

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雅宝题库解析：
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。

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