复合材料飞机副油箱双尺度铺层设计

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30541

固体力学与飞行器总体设计

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复合材料飞机副油箱双尺度铺层设计

刘琛¹, 何晨¹, 高文明¹, 王显峰¹(), 江林¹, 程硕², 李勇¹, 肖军¹

^1.南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京 210016
^2.中航工业合肥江航飞机装备股份有限公司，合肥 230041

收稿日期:2024-04-17 修回日期:2024-05-23 接受日期:2024-06-04 出版日期:2025-01-15 发布日期:2024-06-11
通讯作者: 王显峰 E-mail:wangxf@nuaa.edu.cn
基金资助:
FCX-3 复材箱体设计和开发（YY05）;北研中心民机预研专项：弹性剪裁蒙皮丝束牵引成型技术研究(COMAC-BYZX-2023-25);大涵道比航空发动机复材叶片短程自动铺放装备技术研发(BE2023014-4)

Dual scale ply design of composite aircraft auxiliary fuel tank

Chen LIU¹, Chen HE¹, Wenming GAO¹, Xianfeng WANG¹(), Lin JIANG¹, Shuo CHENG², Yong LI¹, Jun XIAO¹

^1.School of Materials Science and Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^2.AVIC Hefei Jianghang Aircraft Equipment Co，Ltd，Hefei 230041

Received:2024-04-17 Revised:2024-05-23 Accepted:2024-06-04 Online:2025-01-15 Published:2024-06-11
Contact: Xianfeng WANG E-mail:wangxf@nuaa.edu.cn
Supported by:
FCX-3 Composite Box Design and Development （YY05）;Beijing Research Center Civil Aircraft Pre research Special Project： Research on Elastic Cutting Skin Wire Bundle Traction Forming Technology(COMAC-BYZX-2023-25);Research and Development of Short Range Automated Fiber Placement Equipment for Composite Blades of Aircraft Engines(BE2023014-4)

摘要/Abstract

摘要：

以飞机复材副油箱为研究对象，发展“整体-局部”双尺度铺层设计方法，对具有多尺度特征的封闭椭球体飞机副油箱整体与局部铺层进行了优化设计和分析。首先，基于副油箱特征结构，发展了副油箱结构力学分析方法，构建了具备防雷击功能的碳纳米管复合材料力学求解模型，综合分析蒙皮-筋条铺层结构在等效静强度和冲击工况下的载荷响应，并针对最佳铺层方案提出一种铺层顺序优化方法完成初步铺层优化；然后，考虑局部变厚度插层区的应力不均匀和层间/富树脂区损伤失效，采用内聚力单元和分层建模策略建立了变厚度试样细观力学模型，基于“子模型”和“壳-固”耦合技术，建立了副油箱局部变厚度结构求解模型，并提出了协同改善局部变厚度区受力的整体结构铺层设计方案；最终，根据整体-局部铺层优化后的设计方案，进行静力学、模态、冲击动力学分析，完成对副油箱整体结构的强度校核和验证。

关键词: 复合材料, 铺层设计, 飞机副油箱, 多尺度, 变厚度插层

Abstract:

Taking the aircraft composite auxiliary fuel tank as the research object， a “global-local” dual scale layup design method was developed to optimize and analyze the global and local layup of a closed ellipsoidal aircraft auxiliary fuel tank with multi-scale characteristics. Firstly， based on the characteristic structure of the fuel tank， a mechanical analysis method for the fuel tank structure was developed， and a mechanical model for carbon nanotube composite materials with lightning protection function was constructed. The load response of the skin rib layer structure under equivalent static strength and impact conditions was comprehensively analyzed， and a ply sequence optimization method was proposed for the optimal ply scheme to complete the preliminary ply optimization. Then， considering the uneven stress and interlayer/resin rich damage failure in the local variable thickness intercalation zone， a micro mechanical model of the variable thickness specimen was established using cohesive elements and delamination modeling strategy. Based on the “sub-modeling” and “shell-solid” coupling technology， a local variable thickness structural solution model for the auxiliary fuel tank was established， and a collaborative improvement of the overall structural layer design scheme for the stress in the local variable thickness zone was proposed. Finally， based on the global-local ply optimization design scheme， static， mode， and impact dynamic analyses were conducted to complete the strength validation of the global structure of the auxiliary fuel tank.

Key words: composite materials, ply design, aircraft auxiliary fuel tank, multi-scale, variable thickness intercalation

中图分类号:

V229⁺.7

刘琛, 何晨, 高文明, 王显峰, 江林, 程硕, 李勇, 肖军. 复合材料飞机副油箱双尺度铺层设计[J]. 航空学报, 2025, 46(1): 230541.

Chen LIU, Chen HE, Wenming GAO, Xianfeng WANG, Lin JIANG, Shuo CHENG, Yong LI, Jun XIAO. Dual scale ply design of composite aircraft auxiliary fuel tank[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(1): 230541.

图/表 33

图 1

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表1

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表 7

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参考文献 28

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

工况	F_x /kN	F_y /kN	F_z /kN	M_x /（kN·m）	M_y /（kN·m）	M_z /（kN·m）
静载	5.89	2.75	18.23	1.32	7.21	6.53
冲击1	6.81	1.52	-4.25	-1.15	17.54	13.59
冲击2	-16.56	-5.58	7.86	8.23	4.98	-2.15

蒙皮铺层方案	铺层信息
方案1	［45/0/45/0/-45/90/-45］_ns
方案2	［45/0/45/90/-45/0/-45］_ns
方案3	［45/0/-45/0/45/90/-45］_ns
方案4	［45/0/-45/90/45/0/-45］_ns
方案5	［45/90/-45/0/45/0/-45］_ns

筋条类型	铺层信息
“T”型	［45/0/-45/90/45/45/0/-45/-45/0］_s
“J”型	［45/0/-45/0/45/45/90/-45/0/-45］_s
“Ω”型	［45/0/-45/0/45/90/-45/-45］_s

试样编号	弯曲承载能力/N	标准差	离散系数CV/%
AⅠ	1 131.91	14.11	1.25
AⅡ	1 186.40	18.85	1.59
AⅢ	1 169.44	37.93	3.24
BⅠ	1 011.56	32.26	3.19
BⅡ	1 058.98	16.46	1.55
BⅢ	1 039.22	38.82	3.74
N	1 301.85	43.72	3.35

阶数	1阶	2阶	3阶	4阶	5阶	6阶
优化前空箱频率/Hz	41.88	92.31	148.02	171.07	249.47	322.23
优化后空箱频率/Hz	42.72	93.01	149.69	169.38	249.86	324.94
优化前满油频率/Hz	8.16	12.94	17.37	18.3	20.21	21.06
优化后满油频率/Hz	8.24	13.18	17.44	18.4	20.25	21.1

复合材料飞机副油箱双尺度铺层设计

Dual scale ply design of composite aircraft auxiliary fuel tank

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