[发明专利]跨音速颤振模型复合材料单梁结构设计及其刚度计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料单梁结构，尤其涉及一种用于飞机颤振模型风洞试验的复合材料单梁结构。本发明还涉及用于计算复合材料单梁结构的截面刚度的计算方法。

背景技术

飞机颤振模型主要用在确定飞行器(整体或部件)的颤振临界速度的试验中，需要具有与模拟对象相似的动力学特性，这些特性包括：气动外形、刚度分布、质量分布等等。因而，供试验用的模型应该满足空气动力学、结构动力学和几何形状等方面相似律的要求，这些要求内容广泛，以致颤振模型很难全部满足。

文献Optimization Approach to Design of Aeroelastic Dynamically-Scaled Models of Aircraft(10th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference，30 August-1 September 2004，Albany，Now York AIAA 2004-4642)中描述了一种传统的复合材料单梁结构，其截面形式如图1所示。这种结构通常是在包覆内核10的矩形壳体20上均匀厚度地铺设±45度铺层来模拟截面扭转刚度，并在矩形壳体20的主要承载面区域30之上再额外地铺层来控制截面弯曲刚度。这种结构形式的好处在于扭转刚度与弯曲刚度可以进行相对独立的刚度设计。但是这种结构形式在工艺的合理性上有一定的局限性，即同一角度的铺层不得多于4层，以及存在大梁的变截面要求与环形均匀厚度±45度铺层工艺之间的协调性差等问题。这些问题对于跨音速颤振模型的强度要求、刚度设计都有一定的影响。

因此，现有单梁结构的缺陷在于：传统的金属粱结构质量比较大，试验数据后期需要修正；传统的复合材料单梁结构以同一角度铺层连续铺设，降低了复合材料的强度性能，并且整体的铺层形式不利于铺层角度控制与变截面要求的相互协调。

此外，针对现有颤振模型的梁架结构的截面形式及相应的截面尺寸，专利申请CN101894182A中还公开了一种计算方法。然而，该方法仅适用于等模量截面刚度设计，例如该申请中所列举的几种截面形式的梁结构。对于上述文献中额外铺层的区域设计，或者不同铺层比的截面区域设计，这种计算方法显然难以满足要求。

发明内容

为此，本发明提出一种改进的跨音速颤振模型复合材料单梁结构，通过采用全新的截面形式，解决了铺层角度控制与变截面要求之间的相互协调问题；同时，通过优化截面各区域上不同角度铺层的排序，更好地满足了跨音速颤振模型对于强度的要求，也能更好地实现截面渐变的刚度控制要求。

根据本发明的这一目的，提供了这样一种跨音速颤振模型复合材料单梁结构，其由非金属内核材料以及铺贴于所述内核材料外层的单闭室薄壁壳体构成，其中，所述壳体具有矩形倒圆角的闭合截面形式，并由复合材料以±α度与0度交替铺设而成，其中，以0度铺设表示复合材料沿垂直于截面的方向铺设。

进一步地，根据单梁结构在其截面上的受力情况，将所述闭合截面划分为主承载区、次承载区和过渡区，其中，所述主承载区的复合材料铺层以0度铺层为主，所述次承载区的复合材料铺层以±α度铺层为主。优选地，所述±α度为±45度。当然，可以理解的是，在非常规的一些情况下，也可以选择其他角度。

可选地，所述过渡区的截面形式为四分之一圆或椭圆。

根据一种优选实施方式，所述壳体可由碳纤维增强复合材料铺层组成，所述内核材料由复合材料泡沫和肋板构成。

针对上述方案中提供的单梁结构的截面形式，本发明的另一目的在于提供一种截面刚度的计算方法，通过该计算方法，能够快速地获取实现目标刚度设计的截面尺寸数据。

为此，根据本发明的跨音速颤振模型复合材料单梁结构的截面刚度的计算方法可包括以下步骤：

(1)确定截面控制参数，包括：控制尺寸参数及材料性能参数；

(2)将步骤(1)中确定的截面控制参数输入到控制运算器中，按照建立的计算模型得出截面弯曲刚度和截面扭转刚度；

(3)判断计算得出的截面弯曲刚度和截面扭转刚度是否满足目标刚度，若不满足，改变截面控制参数，重复步骤(1)至(2)，直至满足目标刚度，结束计算，得到截面最终设计参数。

其中，所述步骤(1)中的截面控制参数包括截面高度H、截面宽度B、倒角半径R、±α度铺层数、0度铺层数、材料的拉压剪模量等。

进一步地，所述步骤(2)中计算得出的截面弯曲刚度和截面扭转刚度包括对截面各区域计算值的叠加，即，可将截面分为主承载区、次承载区和过渡区，其中