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复合材料S型进气道纤维铺放优化及其强度分析

程冰洁  
【摘要】:进气道是现代超音速战斗机动力装置的主要组成部分之一,其气动性能和结构强度是保证战斗机正常飞行的关键。许多学者研究发现,S型进气道拥有完美的气动性能。近代以来,碳纤维复合材料因其轻质高强的特点被广泛地应用到航空航天领域,而复合材料S型进气道则使战斗机达到了隐身的目的。本文运用薄壳平衡方程、经典层合板理论以及蔡-吴强度准则,对复合材料S型进气道进行了纤维铺放优化及其强度分析,主要分为以下三个方面:(1)根据中心线和面积分布规律方程设计了一种前急后缓的S型进气道,采用流体力学基本方程以及k-ε湍流模型,对进气道内部可压缩流体进行了流场特性分析。讨论了马赫数为1.2时,平飞与攻角为10°两种工况下进气道内部马赫数以及静压分布情况,证明了 S型进气道对流体有着明显的减速增压作用,并且攻角的存在对流场影响不大。(2)利用薄壳平衡方程、经典层合板理论以及蔡-吴强度准则,对S型进气道初始铺层的厚度和角度进行了分析,并根据铺层规划原则设计出[±β2/(±χ2/β3/±α]s铺层,结果显示当α=80°、β=85°时,其刚度和强度均优于[±θ12]s铺层。之后首先通过减少基础层以及变厚度的方式对[±β2/(±α2/±β3/±α]s减重,再通过改变铺放角度对有失效单元的铺层进行强度优化,得到了刚度强度均满足要求的[36+18]层[5/-80/( ± 80/ ± 85)/( ± 802/ 土85)2]s+[±809],其重量相比 48 层减少了 20.81%,即 24.9701kg。(3)介绍了变角度纤维铺放以及主应力法的基本思想,采用距离权重法计算单元的主应力方向。分别用5°层和主应力层加厚[34+22]层[-80/±80/±85/(±802/±85)2]s+[±8011]的两侧来进行强度优化,结果显示,两种方法均大幅减小了蔡-吴强度指标,且加厚层越多,主应力法的优势越明显。此外,其重量相比48层减少了 23.69%,即28.4255kg。


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