CN103077286A - 一种飞机颤振模型的频率误差修正方法 - Google Patents

Abstract

一种飞机颤振模型的频率误差修正方法，属于飞机风洞复合材料颤振试验模型的制造技术领域。其特征是该方法根据复合材料结构相似模型，以下称作复材模型，各主要固有频率与设计值的误差，通过有限元仿真分析与优化方法计算得到修正方案，并按照修正方案，采用二次成型工艺在复材模型蒙皮内侧的各个修正区域增加复合材料铺层，在改变复材模型刚度分布的同时，通过配重调整保持复材模型重量分布特征不变，从而实现对复材模型各主要频率误差的修正，使之处于设计允差范围内。本发明的效果和益处是该修正方法针对性强，工艺简便，可以提高复材模型制造的精确性，降低废品率，缩短制造周期。

Description

一种飞机颤振模型的频率误差修正方法

技术领域

本发明属于飞机风洞复合材料颤振试验模型的制造技术领域，具体涉及一种基于优化技术及复合材料二次成型技术的复合材料结构相似跨声速飞机颤振模型的频率误差修正方法。

背景技术

飞机研制过程中必须通过大量的风洞试验来得到飞机的气动弹性响应特征，研究和校核飞机结构的颤振性能,为结构设计提供参考依据。飞机颤振模型的精确制造是风洞试验能否成功的关键，所以必须保证颤振模型的各主要固有频率满足设计要求。

目前，飞机的风洞颤振试验最常用的是金属骨架模型，金属骨架模型是由维形泡沫、非承载蒙皮和金属骨架等结构构成，结构刚度由金属骨架提供。由于金属材料的材料特性稳定，因此这类模型仅需要控制金属骨架的几何加工精度，即可控制模型的频率误差。但金属模型与飞机的模态相似性低，不能很好满足跨声速风洞颤振试验需求。复合材料结构相似模型，以下称作复材模型，它是由变厚度蒙皮、变截面梁、框等典型构件组合，各构件排布以及承载特性与原机结构相似，是与原机结构具有部分相似特征的缩比模型，与飞机结构动力学特征的相似度高，是一种先进的模型形式。复材模型的各主要承力构件由树脂基纤维增强复合材料制成，其中增强纤维包括具有平面编织结构的玻璃纤维织物、碳纤维织物、芳纶纤维织物或上述三种纤维的混编织物或由玻璃纤维、碳纤维制成的短切纤维毡；基体树脂包括不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂或环氧树脂等热固性树脂。但由于模型设计过程中工程假设带来的计算误差、复合材料的材料的分散误差以及模型制造中的几何误差与装配中的附加刚度误差等，造成制造出的模型模态频率容易超出模型设计的误差许可范围。

因而，当制造出的复材模型，其各主要固有频率低于设计值且超出误差许可范围时，需提供一种模态频率的制造误差修正方法，修正复材模型的模态频率使之满足设计要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对飞机复合材料结构相似跨声速颤振试验模型模态频率的制造误差修正方法，当制造出的复材模型其主要固有频率低于设计值且超出误差许可范围时，通过误差修正使制造出的复材模型的各主要固有频率精确地保证在设计值的误差范围内。

本发明的技术方案是：

一种飞机颤振模型的频率误差修正方法：通过测量复材模型几何尺寸、重量特征和各主要阶固有频率，计算得到实际材料性质，然后根据各主要固有频率与设计值的误差，通过有限元仿真分析与优化方法计算得到修正方案，并按照修正方案，采用二次成型工艺在复材模型蒙皮内侧的各个修正区域增加复合材料铺层，在改变复材模型刚度分布的同时，通过配重调整保持复材模型重量分布特征不变，最后按照设计装配制成合格的风洞试验模型，实现复材模型频率误差的修正。

具体内容是：

1.复材模型几何尺寸、重量特征和各主要固有频率的测量

使测量复材模型主要固有频率时，需要将复材模型蒙皮、梁和肋按照设计要求临时装配，临时装配时所用粘接剂为软化温度为50℃-80℃的热塑性树脂。测量完成后，将复材模型置于烘箱内加热至临时装配用热塑性树脂的软化温度，分离复材模型的蒙皮、梁和肋等构件，冷却后使用无水酒精和丙酮对粘接装配面进行清洗，去除热塑性树脂。

2.复材模型实际材料密度和弹性模量的计算

复材模型实际的材料性质是根据实际测量得到的复材模型几何参数、重量参数和固有频率，通过建立有限元分析模型计算得到，其中复材模型的实际材料性质包括蒙皮的材料密度

和弹性模量

梁的材料密度 ${\mathrm{\ρ}}_B^{*}$ 和弹性模量

肋的材料密度

和弹性模量

3.根据复材模型各主要固有频率误差以及实际的几何、材料参数，优化得到误差修正方案

复材模型频率误差的修正方案包括需要增加复合材料铺层的修正区域以及各个修正区域上的复合材料铺层参数。修正区域在蒙皮内侧，并按照梁肋所处位置进行划分；复合材料铺层参数包括复合材料铺层的增强纤维类型、基体树脂类型、纤维树脂配比、纤维铺层厚度和纤维铺设角度，其中基体树脂类型与蒙皮的基体树脂类型相同，纤维类型和纤维树脂配比形成的复合材料的材料密度ρ'和弹性模量E'必须满足

通过得到的复材模型实际材料密度和弹性模量建立有限元分析模型，在此基础上展开优化，以最小化模型主要固有频率与设计频率的相对误差平方和W为优化目标，以模型蒙皮各个区域上待增加的修正铺层厚度和纤维铺设角度为优化设计变量，优化得到复材模型制造频率误差的修正方案。

优化数学模型如下：

Find X_i(d_i,θ_i)    i=1,2,6,m

$\mathrm{Min}W=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{({\mathrm{\ω}}_j-{\mathrm{\ω}}_j^{*})}^2}{{\left({\mathrm{\ω}}_j^{*}\right)}^2}j=\mathrm{1,2,6},N$

s.t.0≤d_i≤H    i=1，2,6,m

0≤θ_i≤π    i=1,2,6,m

其中i为修正区域编号，m为进行误差修正的铺层区域总数，j为进行误差修正的模型主要固有频率编号，N为进行误差修正的模型主要固有频率总数，d_i为第i修正区域上修正铺层厚度，θ_i为第i修正区域上修正铺层纤维铺设角度，H为允许最大修正铺层厚度。

4.根据误差修正方案，对复材模型实施频率误差修正

使用常温或中温固化的接触成形工艺，在蒙皮内侧按照修正方案增加用于误差修正的复合材料铺层。

5.根据修正增加的铺层分布调整复材模型重量分布

根据调整后的变厚度蒙皮和模型的梁肋等构件重量分布特征，在复材模型梁肋结合处增加配重，使模型整体的重心位置以及模型各个梁肋间区域的重心位置与模型设计要求相符。

6.按照设计装配制成合格的风洞试验模型

使用不饱和聚酯或环氧树脂等热固性树脂，按照复材模型设计要求，将调整过刚度分布、质量分布后的复材模型构件粘接装配，形成最终的复材模型成品。

综上所述，本发明根据制造出复材模型的频率误差，采用有限元分析与优化计算得到误差修正补偿方案，结合特定厚度与铺层方向的复合材料二次成型贴补工艺，实现对复合材料结构相似跨声速颤振模型频率的制造误差修正，使复材模型能够满足设计要求。

本发明的效果和益处是：该修正方法充分利用了复合材料的增材制造工艺，修正过程针对性强，工艺简便，可以提高模型制造的精确性，降低废品率，缩短制造周期。

附图说明

图1是某机翼整体结构示意图。

图中：1是机翼根部接头；2是机翼蒙皮。

图2是某机翼骨架结构示意图。

图中：3是翼肋；4是机翼梁。

图3是某机翼进行误差修正后蒙皮结构示意图。

图中：5复合材料铺层。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

图1是某机机翼复合材料结构相似跨声速颤振模型结构图，它由机翼根部接头1、上下机翼蒙皮2、多根竖向翼梁3和横向翼肋4组成。

图2是复材模型去除蒙皮后的骨架结构图，它由多根横向机翼肋板3和竖向机翼梁架4组成。

复材模型的机翼蒙皮2、翼梁3和翼肋4均由树脂基纤维增强复合材料制成。

使用游标卡尺和侧厚卡规测量模型各构件的长度和厚度，包括变厚度蒙皮2、变截面翼梁3和翼肋4，得到各构件的几何参数a_i。

使用电子天平测量模型各构件的重量参数，包括变厚度蒙皮2、变截面翼梁3和翼肋4，得到各构件的质量m_i。

采用软化温度为50℃-80℃的热塑性树脂将复材模型各构件按照设计要求临时粘接装配，包括变厚度蒙皮2、变截面翼梁3和翼肋4。按照设计方案将模型通过根部接头2夹持在测试平台上，利用锤击法对模型进行模态测试，获得复材模型的各主要固有频率ω_i，其设计值是

从而得到频率误差。

复材模型主要固有频率测量完成后，将复材模型置于烘箱内加热至临时装配用热塑性树脂的软化温度，分离复材模型的蒙皮2、翼梁3和翼肋4等构件，冷却后使用无水酒精和丙酮对粘接装配面进行清洗，去除热塑性树脂。

通过测量获得的复材模型各构件几何参数、重量参数以及各主要固有频率，建立有限元分析模型，推算出复材模型实际材料性质，包括蒙皮的材料密度

和弹性模量

梁的材料密度

和弹性模量

肋的材料密度

和弹性模量

选择蒙皮内侧为修正区域，并按照梁肋所处位置进行划分，划分后区域如图3所示。

复合材料铺层参数包括复合材料铺层的增强纤维类型、基体树脂类型、纤维树脂配比、纤维铺层厚度和纤维铺设角度。

基体树脂为与蒙皮的基体树脂类型相同的热固性树脂；选纤维类型为碳纤维，使纤维类型和纤维树脂配比形成的复合材料的材料密度ρ′和弹性模量E′满足 $\frac{E^{\′}}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}>\frac{{E_s}^{*}}{{{\mathrm{\ρ}}_s}^{*}}.$

通过得到的复材模型实际材料密度和弹性模量建立有限元分析模型，在此基础上展开优化，确定各修正区域待增加复合材料铺层的纤维铺设方向和铺层厚度。以最小化复材模型主要固有频率与设计频率的相对误差平方和W为优化目标，以复材模型蒙皮各区域上待增加的修正铺层厚度和纤维铺设角度为优化设计变量，优化得到复材模型制造频率误差的修正方案。

优化数学模型如下：

Find X_i(d_i,θ_i)    i=1,2,6,m

$\mathrm{Min}W=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{({\mathrm{\ω}}_j-{\mathrm{\ω}}_j^{*})}^2}{{\left({\mathrm{\ω}}_j^{*}\right)}^2}j=\mathrm{1,2,6},N$

s.t.0≤d_i≤H    i=1,2,6,m

0≤θ_i≤π    i=1,2,6,m

其中i为修正区域编号，m为进行误差修正的铺层区域总数，j为进行误差修正的模型主要固有频率编号，N为进行误差修正的模型主要固有频率总数，d_i为第i修正区域上修正铺层厚度，θ_i为第i修正区域上修正铺层纤维铺设角度，H为允许最大修正铺层厚度。

按照修正实施方案，在蒙皮2内表面进行贴补，对贴补区域，进行砂纸打磨和酒精清洗，使用常温或中温固化接触成形工艺，在蒙皮内侧的不同修正区域贴补相应铺层材料、相应铺层厚度和相应铺层角度的复合材料铺层5，修正完后的蒙皮如图3所示。

根据调整后的变厚度蒙皮2和模型的翼梁3和翼肋4等构件重量分布特征，在复材模型梁肋结合处增加配重，使模型整体的重心位置以及模型各个梁肋间区域的重心位置与模型设计要求相符。

使用不饱和聚酯或环氧树脂等热固性树脂，按照复材模型设计要求，将调整过刚度分布、质量分布后的复材模型构件粘接装配，形成最终的复材模型成品。

Claims (10)

1.一种飞机颤振模型的频率误差修正方法，其特征在于：复合材料结构相似跨声速颤振模型也称复材模型，通过测量复材模型几何尺寸、重量特征和各主要阶固有频率，计算得到实际材料性质，然后根据各主要固有频率与设计值的误差，通过有限元仿真分析与优化方法计算得到修正方案，并按照修正方案，采用二次成型工艺在复材模型蒙皮内侧的各个修正区域增加复合材料铺层，在改变复材模型刚度分布的同时，通过配重调整保持复材模型重量分布特征不变，最后按照设计装配制成合格的风洞试验模型，实现复材模型频率误差的修正。

2.根据权利要求1所述的一种飞机颤振模型的频率误差修正方法，其特征在于：测量复材模型主要固有频率时，需要将复材模型蒙皮、梁和肋按照设计要求临时装配，临时装配时所用粘接剂为软化温度为50℃-80℃的热塑性树脂。

3.根据权利要求1所述的一种飞机颤振模型的频率误差修正方法，其特征在于：复材模型主要固有频率测量完成后，需要将复材模型置于烘箱内加热至临时装配用热塑性树脂的软化温度，分离复材模型的蒙皮、梁和肋等构件，冷却后使用无水酒精和丙酮对粘接装配面进行清洗，去除热塑性树脂。

4.根据权利要求1所述的一种飞机颤振模型的频率误差修正方法，其特征在于：复材模型实际的材料性质是根据实际测量得到的复材模型几何参数、重量参数和固有频率，通过建立有限元分析模型计算得到，其中复材模型的实际材料性质包括蒙皮的材料密度

和弹性模量

梁的材料密度和弹性模量肋的材料密度

和弹性模量

5.根据权利要求1所述的一种飞机颤振模型的频率误差修正方法，其特征在于：复材模型频率误差的修正方案包括需要增加复合材料铺层的修正区域以及各个修正区域上的复合材料铺层参数，其中修正区域为蒙皮内侧，并按照梁肋所处位置进行划分，铺层参数包括复合材料铺层的增强纤维类型、基体树脂类型、纤维树脂配比、纤维铺层厚度和纤维铺设角度。

6.根据权利要求5所述的一种飞机颤振模型的频率误差修正方法，其特征在于：基体树脂类型与蒙皮的基体树脂类型相同，纤维类型和纤维树脂配比形成的复合材料的材料密度ρ'和弹性模量E'必须满足

7.根据权利要求1所述的一种飞机颤振模型的频率误差修正方法，其特征在于：修正方案的获取采用优化设计方法得到，通过得到的复材模型实际材料密度和弹性模量建立有限元分析模型，在此基础上展开优化，以最小化复材模型各主要固有频率相对误差平方和为优化目标，以各个修正区域中所选复合材料的铺层厚度与纤维铺设角度为优化设计变量。

8.根据权利要求1所述的一种飞机颤振模型的频率误差修正方法，其特征在于：使用常温或中温固化的接触成形工艺，在蒙皮内侧按照修正方案增加用于误差修正的复合材料铺层。

9.根据权利要求1所述的一种飞机颤振模型的频率误差修正方法，其特征在于：根据调整后的变厚度蒙皮和模型的梁肋等构件重量分布特征，在模型梁肋结合处增加配重，使模型整体的重心位置以及模型各个梁肋间区域的重心位置与模型设计要求相符。

10.根据权利要求1所述的一种飞机颤振模型的频率误差修正方法，其特征在于：使用不饱和聚酯或环氧树脂等热固性树脂，按照复材模型设计要求，将调整过刚度分布、质量分布后的复材模型构件粘接装配，形成最终的复材模型成品。

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