机翼结构设计方案及强度计算

模型一

设计思路：根据设计要求，机翼全长4m,翼弦长1m，前后两根梁。于是利用abaqus软件的壳单元建立了一个基本的机翼模型。

图1 单只机翼模型

然后参考《实用飞机复合材料结构设计与制造》、《复合材料设计手册》、《复合材料力学》等资料，初步设计机翼采用蒙皮夹心结构，上下表面分别铺3层复合材料，考虑到机翼的工况采用[45/0/-45]铺层方式，每层厚度为0.125mm，具体如图2所示。中间夹心材料采用PMI泡沫，该材料具有突出的比强度和良好的耐蠕变性，可以很好的克服屈曲。夹心材料厚度初步拟定为5mm，进行计算模拟，如果屈曲明显则可加厚。

材料 单向带复合材料 PMI泡沫 密度 Kg/m3 1600 60 表1 机翼的材料参数

E11 E22 泊松比 MPa MPa 0.323 0.3 115000 8000 G13 MPa 2400 G23 MPa 2400 G12 MPa 4000 各向同性，弹性模量为60 MPa 图2 机翼的蒙皮夹心铺层结构

考虑到梁是主要的承力部件，采用[-45/0/45/90]s铺层方式，每层厚度为0.125mm，具体如图3所示。

图3 梁的铺层结构

利用abaqus模拟计算时将工况环境简化，采用一端固定，在机翼下表面加载Y方向的升力，分布如图5所示。

图4 机翼的固定端约束

图5 机翼的载荷分布

模型一的计算结果：

梁每层复合材料的应力云图

图6 梁每层复合材料的应力云图

梁的计算结果分析：

从计算结果中不难发现，机翼前缘的梁承受的力要比尾部的梁大很多，可以考虑适当加厚。对比各层复合材料的受力情况，0°的复合材料层受力明显，可以适当增加0°的复合材料层数。靠机身段的梁应力集中明显，可以在该部位适当增加梁的厚度，也可考虑用工字梁强化该部位。

机翼每层复合材料的应力云图：

图7 机翼每层复合材料的应力云图（1-5层）

图7 机翼每层复合材料的应力云图（6-7层）

图8 机翼的变形云图

计算结果总体分析：

表2 模型一的计算结果

部件 梁、肋 蒙皮 蒙皮 材料 单向带复材 单向带复材 PMI泡沫 最大应力 454.8MPa 315.4MPa 0.278MPa 最大剪应力 9.872Mpa 15.1 Mpa 0.0175 MPa 单向带复材的拉伸强度为1541MPa，PMI泡沫的拉伸强度为1.6MPa 单向带复材的剪切强度为60MPa，PMI泡沫的剪切强度为0.8MPa 从表中可以得出，模型的强度在材料的许用强度范围内，该设计符合强度要求。根据设计要求，机翼的最大变形量小于机翼展长的1%，即40mm。而该模型的最大变形为67.2mm>40mm，该设计不符合变形要求。改模型的双翼总质量为13.8325 Kg。

模型二：

根据模型的计算结果对模型做以下修改：

1、 将梁改为工字梁，相当于在翼缘处加厚，梁的上下面铺层为[-45/0/45/90]s，每层厚度为0.125mm。

2、 增加梁的厚度，采用[-45/0/45/0/90/0/45/0/-45]s的铺层方式 修改后模型的计算结果：

图9 模型二的结构图

计算结果：

图10 梁第二层复合材料的应力云图

梁第二层的应力如图10分布，最大应力不到模型一的64%，而且其他层应力也大大减弱了。

图11 机翼最外层复合材料的应力云图

机翼最外层复合材料的应力如图11所示，最大应力只有模型一的65%，而且其他层应力也大大减弱了。

图12 机翼变形云图

图12为机翼的变形云图，最大位移为43.89mm>40mm,虽然还没有达到变形要求，但是相对于模型一67.2mm已经小很多了。改模型的双翼总质量为17.9024 Kg。

模型三：

在模型一的基础上考虑加5个横向的肋板，结构如图所示。肋板的铺层和梁一样，也是[-45/0/45/90]s的铺层方式。

图13 模型三的结构图

表3 模型三的计算结果

部件 材料 最大应力 最大剪应力 最大应变 最大剪应变 9.872Mpa 15.1 Mpa 17.49 KPa 2.138*10-3 2.576*10-3 2.222*10-3 2.474*10-3 3.789*10-3 7.58*10-4 梁、肋 单向带复材 198.7MPa 蒙皮 单向带复材 290.7MPa 蒙皮 PMI泡沫 136.7KPa 单向带复材的拉伸强度为1541MPa，PMI泡沫的拉伸强度为1.6MPa 单向带复材的剪切强度为60MPa，PMI泡沫的剪切强度为0.8MPa

从表3中可以得出，模型的强度在材料的许用强度范围内，该设计符合强度要求。根据设计要求，机翼的最大变形量小于机翼展长的1%，即40mm。而该模型的最大变形为30.06mm<40mm，该设计符合变形要求。单只机翼的总质量为7.67842Kg。

图14机翼变形云图

加工工艺的选择：

根据之前的设计，机翼外皮采用蒙皮夹心结构，而梁和肋板是复合材料铺层而成。目前考虑将梁和肋板一次成型，这样有利于机翼的稳定性。机翼外皮用RTM方法单独成型，分前后在前梁处将机翼外皮分成两个部分加工成型，如图16所示。最后采用胶接将梁、肋板和机翼外皮连接在一起。

图15 梁和肋板一体成型结构示意图

图16 机翼外皮加工示意图

考虑到该成型方法的不足，蒙皮和梁、肋板之间容易产生脱胶和分层，在肋条和梁的端头加防止剥离的紧固件。