大展弦比复合材料机翼刚心分析与剪裁设计

【引言】刚心的研究对薄壁梁型的航空结构非常重要，它与结构的颤振等气动弹性密切相关。对于大展弦比机翼来说，刚心位置的确定也尤为重要，因为翼面刚心的位置可影响机翼气动力的分布情况，且可以通过调整刚心的位置来控制整个翼面结构的静力分布和气动弹性变形，从而提高飞机的飞行性能。国内外一些学者针对刚心问题已经做了一些研究，并取得了一定的研究成果。以刚心位置为约束条件，以最大扭转角为目标函数，对直升机的螺旋桨叶片进行了优化设计。用理论方法，通过公式推导得出了确定机翼剖面刚心位置的方法。介绍了一种实验方法用以测量机翼剖面刚心的位置。目前，对刚心位置的确定大多是采用理论方法或试验方法，但是这两种方法有一定的局限性。对于翼型较复杂的机翼模型来说，刚心位置的确定与多个因素有关，运用理论方法计算刚心的位置时，积分较复杂，有时难于求出；试验方法往往是针对某个特定的机翼模型，当翼型改变时需要重新进行试验，成本较高。考虑到以上方法的局限性，本文介绍了一种通过有限元分析软件来确定机翼刚心轴线位置的方法。即使翼型改变，该方法也可以通过重新建模来完成，计算简便且成本较低。针对某翼型机翼，分别运用有限元分析方法和理论方法求解刚心轴线位置，并将得到的结果进行比较，两者相差很小，证明了这种方法的可行性。最后将这种方法运用到工程实际问题中，以复合材料机翼的刚心轴线位置为目标函数，以静强度和稳定性为约束条件，通过优化机翼复合材料结构件的尺寸，最终得到合适的刚心轴线位置。