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1、现代民用无人机复合材料机翼结构设计摘 要飞机机翼是飞机的主要承受载荷的部位，机翼的结构性能会直接影响飞机的飞行性能。随着飞机设计技术的快速成长，对飞机的航行时间以及载荷重量要求也越来越高。复合材料属于一种新型的材料，具有重量轻、可设计强等特点。复合材料结构可以整体成型，从而可以通过结构设计减少飞机的结构数量，使工艺更简单,在飞机机翼结构上采用复合材料设计能有效减轻重量。目前飞机结构对复合材料的使用比例也越来越高，了解复合材料设计要求对飞机结构设计人员尤为重要。我国疆域辽阔、人口众多 ，通过发展航空业可以减少人们出行和物流快递的时间，缓解地面交通压力，对我国的经济发展具有重要意义。本文介绍了国内
2、外复合材料在航空工业的使用现状，概括了复合材料的设计准则，讨论了复合材料飞机结构设计的好处。结合在实习过程中的工作内容，以CATIA进行机翼结构的三维建模，绘制出机翼蒙皮、翼梁、翼肋数模，进行机翼结构设计分析，并展望该领域未来的发展前景。关键词：飞机机翼 飞机载荷 复合材料 飞行性能 整体成型Composite wing structure design of civil uavABSTRACTAircraft wing is the main load bearing part of the aircraft, the structural performance of the wing w
3、ill directly affect the flight performance of the aircraft. With the rapid development of aircraft design technology, the requirements of flight time and load weight are becoming higher and higher. Composite material is a new kind of material, which is light in weight and strong in design. Composite
4、 structure can be formed as a whole, which can reduce the number of aircraft structures through structural design, making the process easier, using composite design on the aircraft wing structure can reduce the weight. At present, the proportion of composite materials used in aircraft structure is a
5、lso increasing, so it is particularly important for aircraft structural designers to understand the design requirements of composite materials. China has a vast territory and a large population. The development of the aviation industry can reduce the time for people to travel, logistics and express
6、delivery, and relieve the traffic pressure on the ground, which is of great significance to the economic development of China. This paper introduces the application of composite materials in aviation industry at home and abroad, summarizes the design criteria of composite materials, and discusses th
7、e advantages of structural design of composite materials for aircraft. Combined with the CATIA in the internship process to conduct the three-dimensional modeling of the wing, draw out the wing skin, the wing SPAR, the wing rib mathematical model, carry out the design and analysis of the wing struct
8、ure, and look forward to the future development prospect of this field.Key words: aircraft wing aircraft load composite material flight performance integral molding 目 录摘 要IABSTRACTII1引 言11.1设计目的和现实意义11.2复合材料机翼结构的发展过程21.2.1复合材料在国外航空公司的发展状况21.2.2我国复合材料飞机的发展状况22设计目标与设计要求制定32.1复合材料结构设计的一般原则32.1.1铺层设计原则3
9、2.1.2铺层比例32.2层合板设计42.3夹层板结构52.3.1面板52.3.2芯子62.3.3防水保护92.4开口设计准则102.5中、小开口的补强设计102.5.1大开口的补强设计113机翼总体布局113.1机翼主体结构113.2蒙皮设计123.2.1机翼上蒙皮设计133.2.2机翼下蒙皮设计133.3机翼梁设计143.4机翼肋设计163.4.1前肋163.4.2中肋173.4.3后肋184设计不足195结论195.1工作总结195.2工作展望19参考文献20致 谢21211 引 言飞机的技术发展离不开结构的优化设计,结构的设计与材料的性能息息相关。材料的更新性能变化，会引起飞机结构设计
10、的重大改动。减轻飞机的结构重量、简化飞机制造工艺，提高飞行性能，是飞机结构设计人员是要坚持的目标。近百年来飞机由木、布结构发展为以铝为主的金属结构到现在以复合材料为主的飞机结构，经过了飞机设计人员无数次的技术革新。近年来,各国航空公司对飞机结构进行的重要改进，对飞机上使用的材料要求更为严格，不仅要满足飞机的各种载荷要求，还要降低结构重量。复合材料是近年来在飞机结构设计领域中比较流行的，由于它的优越性能，也推动了飞机设计领域的发展。新材料对飞机设计领域的冲击是非常巨大的，也会给一些新型企业的发展机遇，促进整个航空领域的发展。先进复合材料是一种新型的航空材料，复合材料与金属材料有着明显的性能区别。
11、与传统金属材料相比，复合材料具有优越的性能，如比强度和比刚度高、可设计性强等，有些甚至是金属无法达到的，而且复合材料密度小。在设计飞机结构时，金属件受到的拉压、扭转和弯曲所带来的应力变形与材料的厚度有关，一般可以增加结构的厚度来提升它的刚度，这往往会使得飞机整体结构重量提升，降低飞机的飞行性能。但是复合材料层压板和复合材料夹层结构的承载能力变化不仅与结构的厚度有关，还与它的铺层方向有关，通过设计合理的铺层方向可以提升复合材料在该方向上的承载能力，从而可以降低结构厚度。复合材料机翼结构既能满足飞机的各种载荷需求也能达到减轻飞机结构重量的效果，从而大大提高了飞机的飞行性能。因此，采用有复合材料飞机
12、结构设计利于飞机的减重设计。1.1 设计目的和现实意义二十一世纪以来，复合材料结构飞机已经成为飞机设计应用的主要结构了，复合材料占全机的比例越高飞机越先进。在实习过程中接触到飞机复合材料结构设计，并且有幸参与CR292机翼设计项目。经得公司相关部门同意，使用已经成型进行生产的无人机机翼气动外形面进行修改，并且进行机翼局部结构设计。本设计论文主要是为了阐述在实习期间自己对复合材料在飞机结构上的应用理解，并且希望能通过本次设计能够加强对复合材料的属性、机翼结构、机械零件设计遵循原则等方面的了解，能更好的完成学习和工作任务。1.2 复合材料机翼结构的发展过程1.2.1 复合材料在国外航空公司的发展状
13、况在20世纪70 年代中，波音公司率先在新研发的军机上采用复合材料机翼结构设计；随后以空客为代表的欧洲航空公司也正在新研制的军用飞机上也采用复合材料机翼结构设计；在20世纪70年代中、后期，复合材料机翼蒙皮壁板和梁、肋的结构设计与制造技术开始使用（典型代表为美国鹞式攻击机AV-8B）；20世纪80年代初，复合材料用于机翼整体油箱的设计和前掠翼设计（典型代表为美国前掠翼X-29验证机）；20世纪80年代后期，机翼翼面设计、制造一体化技术逐步成熟，大型飞机翼面的共固化技术开始应用（典型代表为美军的B-2轰炸机）；20世纪80年代中后期，自动铺丝机技术、低成本的复合材料机翼设计、预成形件技术制造复合
14、材料机翼结构（典型代表为F-22美军F-22）。目前以国外航空工业为代表的波音公司和空客公司对于复合材料的使用量是随着新型飞机的更新也在不断的增加的。1.2.2 我国复合材料飞机的发展状况我国第一架带整体油箱的复合材料机翼在1995年试飞成功，这标志着这我国复合材料在飞机机翼上的应用已经逐步成熟了。目前我国军用飞机机翼结构在复合材料的使用量占机翼总体结构重量的30%50%,我国研发的中短程大型客机C919采用的复合材料占全机的30%左右，以及正在研发的C929复合材料的比重将会超50%。随着大型民用客机C919研制成功，这标志着我国的航空工业将会进入一个新的阶段和高度，航空工业必将蓬勃迅猛发展
15、。但是我国航空复合材料研制发展慢、基础薄、实验技术落后的现实是不容否认的，与国外的先进技术仍然存在些许差距。我们现在仍然要已学习国外先进飞机技术为主，发展自己的技术水平，才能提高我们的飞机设计技术。2 设计目标与设计要求制定2.1 复合材料结构设计的一般原则2.1.1 铺层设计原则在一般的情况下，设计员应当按下列层合板铺层设计原则进行设计，以便取得性能较好的层合板、降低层合板的耦合效应和制造难度。然而不是所有的情况都能够遵循这些设计原则，某些情况下（比如层合板非常薄或者结构承载的方向性非常明确），可能所有的原则都无法遵循，因此需要设计员在设计过程中综合考虑并根据具体情况决定如何应用这些原则。一般情况下，铺层在层合板厚度的中面两侧对称分布。其主要目的是为了避免层合板的耦合效应和固化变形。如果完全对称无法做到，那么应当尽量将非对称的铺层布置在靠近中面的位置上，这样可以降低由于不对称引起的耦合变形。如图 21所示图 21 对称铺层2.1.2 铺层比例原则上，一个层合板各个方向的铺层都要存在，比例应该在8%到67%之间。这主要是为了防止层合板的泊松比过大，如图 22所示。图 22比例铺层纤维方向沿主应力方向布置；工程上常用的纤维方向为0，45、-45
