摘要
与载人飞机相比，无人机可以做到小型化、微型化，对各行业的发展有着重要的意义，传统金属材料制造的无人机结构重量大、灵活性差且飞行时间短，现在轻量化成为无人机设计的基本要求，复合材料因为其密度小、比强度和比刚度高等优点成为了无人机轻量化设计中的首选材料，不仅能大幅降低结构重量而且整体性能优异。机翼作为无人机主要的传力和承力组件承担了约70％的气动载荷，是无人机研发制造中的关键环节直接决定着整机的质量和性能。本文依托泛锐熠辉复合材料有限公司“智能小巡飞”项目,根据工程需要并参考已有机翼的设计经验，采用复合材料机翼达到显著减重的效果并提高机翼结构的整体性能。并对复合材料机翼的结构铺层优化及制备进行了较为完整的研究，以达到机翼结构减重的同时满足强度和刚度的设计要求。本文主要的研究工作及成果如下: (1)研究铺层方式对复合材料层合板性能的影响，通过对不同铺层方案的层合板进行样件测试，研究了铺层顺序、铺层角度对复合材料层合板拉伸和剪切性能的影响规律,结合层合板设计理论及强度失效准则进行分析。 (2)通过对复合材料结构设计特点、机翼结构形式、机翼设计原则和设计要求的分析，进行机翼翼型的选取和初始设计参数的确定并建立了机翼模型。在ANSYSWorkbench平台上对机翼进行有限元分析，建立了初始机翼有限元模型。 (3)通过有限元分析对机翼蒙皮的铺层材料进行优化，选出了M40J碳纤维预浸料作为机翼的铺层材料;利用遗传算法对机翼蒙皮铺层顺序进行优化，得到最优铺层方案为[45°，0°，-45°，0°，0°]s，通过对铺层厚度进行优化，得到机翼蒙皮铺层厚度为2mm。机翼翼稍最大位移由优化前的114mm降低到54.136mm,满足设计要求，机翼最大Tsai-Wu失效因子小于1,没有发生失效。 (4)机翼静力学试验，验证仿真优化结果，静力学试验结果在280N力的作用下机翼翼稍最大位移46mm,有限元仿真分析的结果是54.136mm,误差为14.1％,满足工程设计的要求。优化后的机翼完全满足其强度和刚度的设计要求，也有效减少了机翼重量，为工程应用提供了可靠的参考。
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