复合材料S型进气道纤维铺放优化及其强度分析

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/(±α2/±β3/±α]s铺层，结果显示当a=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/±β）3/±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/±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。

目录

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外纤维铺放研究进展

1.3 飞机进气道流场的研究概况

1.4 本文主要研究内容

2 超音速S型进气道流场特性分析

2.1 S型进气道模型设计

2.2 流体力学基本方程

2.3 S型进气道三维流场数值计算

2.4 结果分析

2.5 本章小结

3 复合材料薄壳基本方程

3.1 薄壳基本方程[47]

3.2 单向板应力应变关系[48]

3.3 经典层合板理论

3.4 强度准则

3.5 本章小结

4 定角度S型进气道纤维铺放设计

4.1 材料参数、性能指标及铺层原则

4.2 模型处理及载荷施加

4.3 初始铺层参数设计

4.4 定角度铺层规划

4.5 本章小结

5 变角度S型进气道纤维铺放设计

5.1 主应力法

5.2 变厚度铺层强度优化

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间获得的荣誉和科研成果