AIAA年度综述复合材料结构研究热度

AIAA学会结构技术委员会(致力于航空航天结构设计理论、试验和使用的研究和应用)总结了年航空航天结构技术进展。年,结构领域聚焦于结构试验和建模技术的研究。

1.NASA完成多种结构的地面和空中力学试验

年7月,美国国家航空航天局(NASA)对猎户座航天器的发射中止系统进行了演示验证,该系统可以在紧急情况下将宇航员投放到安全地带。此次试验是Artemis计划(致力于将美国人送往月球和火星)的一个里程碑。猎户座驾驶舱模块搭载于诺·格公司制造的改良型“维持和平”导弹上从卡纳维拉尔角发射升空。试验版猎户座航天器在试验中承受了预设的最大气动载荷和应力,高度达到了6英里(9.7公里),并在中止系统触发时飞行速度达到了1.3马赫。

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猎户座航天器

年6月,NASA在美国阿拉巴马州的马歇尔太空飞行中心对新型深空火箭的太空发射系统开展结构试验。太空发射系统是该深空火箭的最大组件,它的主体部分是液态氢存储罐,高64.6米,直径8.4米,占火箭核心级的三分之二,负摄氏度时可容纳约万升的过冷液态氢,用于驱动RS-25引擎。试验中,66米高的测试台中安装了数十个液压缸,用于对液氢存储罐施加压力和拉力,模拟火箭升空和飞行期间承受的应力。该试验于9月结束。

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NASA对太空发射系统的储氢罐进行测试

2.高校持续推动先进复合材料结构多尺度建模技术进步

普渡大学继续在结构基因力学项目(MSG)中开展多尺度建模的研究工作,旨在探索一种全新的、标准化的复合材料各向异性各点异质结构建模方法。该方法将材料的微观结构与工程结构的宏观力学行为联系在一起,因而可以直接用于具有复杂微观结构的梁,板壳和三维实体结构的分析中。结构基因力学建立在变分渐近法的基础上,通过最小化各点异质各向异性结构与均质化后结构之间的信息损失来保证结果的精度。MSG项目通过确定和执行必要的分析以充分捕获相关物理特性来简化多尺度复合材料建模。MSG项目还提供了一种严谨而有效的方法来处理复杂的堆积结构。普渡团队开发了一个辅助代码SwiftComp,作为虚拟结构和材料测试的本构建模软件,也可用于高效、高保真复合材料建模和有限元分析。年,MSG项目开发了基于MSG的多尺度Timoshenko模型,以及一种有效、准确的多尺度方法,该方法可在基于MSG的热-粘弹性多尺度建模和AI辅助的基于MSG的多尺度建模的基础上预测结构的失效包线。

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基于结构基因力学的一维、二维和三维结构分析

亚利桑那州立大学继续开发用于纳米工程复合材料的高效计算多尺度建模框架。在海军研究办公室的支持下,通过对不确定性的定量分析研究了多种尺度上的材料行为。这些在纳米技术上的努力促进了碳纳米管增强型碳纤维复合材料和纳米工程新型结构(例如径向生长的模糊纤维复合材料)的制造和应用。该方法用于表征由随机分散的碳纳米管增强热固性复合材料的高温力学性能。

3.热塑性复合材料制造技术已成为全球研究热点

GKN福克和湾流公司继续评估将热塑性复合材料用于飞机主结构的可行性。较高的面外强度和可持续性/可回收性是热塑性复合材料的优势。目前,高性价比的热塑性复合材料制造技术已成为全球研究热点,尤其是在荷兰。

4.波音公司推出超声速客机概念方案和跨声速桁架支撑翼布局

波音公司曾在年亚特兰大AIAA航空论坛上提出了超声速客机计划,年,该研究继续开展,波音公司提出的超声速客机概念与其在1月份提出的高超声速无人监视侦察机概念相似,两者都具有常规的三角翼布局、双尾翼、流线型机身和尖锐的机头。波音公司称,该飞机最高速度为马赫数5.0,分别在2个小时和2个小时内穿越大西洋和太平洋。

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波音公司的超声速客机概念方

年1月,波音公司在圣地亚哥的AIAA科技论坛上公开了其最新的跨声速桁架支撑翼飞机(TTBW)概念模型。该桁架支撑翼飞机可以飞得更高、更快。最初,TTBW的设计飞行速度为马赫数0.70至马赫数0.75;经过改进,提高了气动效率,飞行速度达到马赫数0.8,调整了机翼后掠角,经过优化得到的桁架支撑翼可以更有效地承载升力,可以通过折叠机翼的方法将机翼展长增加到51.8米。此外,集成化的设计有望提高飞机的巡航速度。

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波音与NASA合作设计的跨声速桁架支撑翼飞机模型

(航空工业发展中心宋刚)

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