民用飛機(jī)金屬/復(fù)合材料中央翼盒結(jié)構(gòu)設(shè)計方案對比

李 林∕

(沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司，沈陽 110034)

民用飛機(jī)金屬/復(fù)合材料中央翼盒結(jié)構(gòu)設(shè)計方案對比

李 林∕

(沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司，沈陽 110034)

中央翼盒與外翼及機(jī)身相連，承受和傳遞重要的飛機(jī)載荷。中央翼盒又是整體油箱，也是機(jī)身增壓艙的氣密線之一，是中機(jī)身客艙地板的支持構(gòu)件，所以中央翼盒設(shè)計的好壞直接決定著整架飛機(jī)設(shè)計的成敗。隨著材料科學(xué)及制造能力的提升，現(xiàn)代民用飛機(jī)的翼盒設(shè)計也出現(xiàn)了不同的思路和方案。下面就以相同座位級別的不同時期的方案一飛機(jī)和方案二飛機(jī)的翼盒設(shè)計對比，來展示復(fù)合材料在飛機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用。

中央翼盒；損傷容限；破損-安全；自動鋪帶(ATL)

0 引言

中央翼盒由上下壁板、前后梁和中間肋組成，是機(jī)翼的主要承載結(jié)構(gòu)，也是飛機(jī)油箱裝載的位置。其結(jié)構(gòu)設(shè)計要滿足靜強(qiáng)度、破損安全、疲勞、損傷容限、整體油箱等細(xì)節(jié)設(shè)計要求，符合相應(yīng)的適航要求，還要綜合考慮材料選用、加工工藝、裝配和維修等技術(shù)。針對上述設(shè)計要求，對選用不同材料的方案一飛機(jī)和方案二飛機(jī)分別從翼盒布局及零件結(jié)構(gòu)設(shè)計方面進(jìn)行比較,以期對今后民用飛機(jī)的設(shè)計有所借鑒。

方案一：飛機(jī)中央翼盒為全金屬結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

方案二：飛機(jī)中央翼盒為金屬、復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料用量占中央翼盒重量的41.58%。如圖2所示。

1 材料選用

1.1 材料選用的依據(jù)

1)性能方面的考慮，即比剛度、比強(qiáng)度、腐蝕、疲勞、裂紋擴(kuò)展特性及環(huán)境穩(wěn)定性；

2)特殊部位的材料相容性；

3)經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，即可獲得性和易生產(chǎn)性、成本、制造特性。

1.2 方案一：飛機(jī)翼盒應(yīng)用材料(見表1)

表1 方案一：飛機(jī)翼盒主要材料

1.3 方案二：飛機(jī)翼盒應(yīng)用材料(見表2)

表2 方案二：飛機(jī)翼盒主要材料

1.4 應(yīng)用分析

復(fù)合材料相較金屬材料，有較好的比剛度、比強(qiáng)度，耐疲勞、抗沖擊、耐腐蝕性能。由于其各向異性，使其擁有良好的可設(shè)計性。

由圖3可見，復(fù)合材料在1995年以后，用量猛增到40%～50%，而鋁合金用量則由75%下降到36%。復(fù)合材料逐漸取代鋁合金，將成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要使用材料。

2 上、下壁板

2.1 翼盒壁板設(shè)計要求

翼盒壁板由蒙皮和長桁組成。根據(jù)飛機(jī)受力載荷，機(jī)翼上表面的壓縮載荷通常是臨界載荷，影響機(jī)翼下表面設(shè)計的主要是拉伸和剪切載荷。沿翼展和翼弦方向，依據(jù)應(yīng)力分布蒙皮厚度是變化的。桁條的末端應(yīng)終止于翼肋處或其他有良好支撐的結(jié)構(gòu)處，且桁條末端應(yīng)該是漸縮的，以免截面急劇變化而造成尖端處的高應(yīng)力，使該處過早出現(xiàn)裂紋。

2.2 方案一：飛機(jī)壁板

考慮破損-安全特性，金屬制造的上壁板分成2塊，其采用7000系板材和型材，來承受更大的壓曲載荷；蒙皮內(nèi)表面有17根“工”字型橫向加筋條，外表面固定有6根縱梁，這些構(gòu)件加強(qiáng)上壁板并支持客艙地板。下壁板選用2000系板材和型材，由前、中、后3塊壁板組成，下壁板有15根“工”字型加筋條，包括2個連接前、后壁板的接頭。

2.3 方案二：飛機(jī)壁板

方案二飛機(jī)上、下蒙皮采用碳纖維復(fù)合材料，均為單塊式結(jié)構(gòu)，由自動鋪帶工藝(ATL)制造，并與用ATL鋪覆且熱成型機(jī)成形后合并成T型截面的碳纖維長桁共固化。在壁板內(nèi)、外表面上，復(fù)合材料與其它材料接合面處鋪設(shè)玻璃纖維，以防電化學(xué)腐蝕。為防閃電等高頻電磁對油箱燃油放電影響，在壁板外表面鋪敷銅網(wǎng)，使復(fù)合材料翼盒整體形成電通路。

2.4 應(yīng)用分析

復(fù)合材料抗腐蝕和裂紋擴(kuò)展性能好，有良好的損傷容限特性，比金屬結(jié)構(gòu)維修費(fèi)用顯著減少，維護(hù)費(fèi)每年減少30%，重量減輕30%～40%。

3 前、后梁

3.1 翼梁設(shè)計要求

機(jī)翼翼盒作為受力結(jié)構(gòu)的主要作用是以薄壁梁承受彎曲。梁主要承受剪力Q和彎矩M。在低于限制載荷情況時梁腹板不允許失穩(wěn)翹曲。翼盒前梁應(yīng)按燃油油頭向前9g的極限載荷系數(shù)進(jìn)行設(shè)計。為提高破損安全性，翼梁腹板要設(shè)置止裂帶以增加裂紋壽命。

3.2 方案一：飛機(jī)翼梁

(1) 前梁：方案一飛機(jī)翼盒前梁采用組合式腹板梁，由梁緣條、腹板和立柱及對接接頭和對接帶板組成。大梁腹板的材料是2000系列板材。加強(qiáng)件和梁上緣條由7000系具有足夠抗應(yīng)力腐蝕的模壓件機(jī)加制成。梁下緣條為2000系列材料。其翼梁腹板外側(cè)有6個垂直的機(jī)加的加筋條，內(nèi)側(cè)有4個水平的板材加筋條。

(2)后梁：方案一飛機(jī)翼盒后梁采用整體梁。翼梁載荷比較大，應(yīng)力水平比較高。其核心部分由鍛件機(jī)加而成，沿翼梁展向腹板上設(shè)置止裂筋條，以提高抗裂紋的許用應(yīng)力。

3.3 方案二：飛機(jī)翼梁

方案二飛機(jī)前、后梁均采用碳纖維預(yù)浸料自動鋪帶機(jī)制造，加筋一體共固化成型，功能設(shè)備的通孔由機(jī)械加工成形。前、后梁均由腹板、內(nèi)表面共固化的2根水平加筋、外部機(jī)械連接的4根垂直加筋組成。在梁腹板內(nèi)、外表面上，復(fù)合材料與其它材料接合面處鋪設(shè)玻璃纖維，以防電化學(xué)腐蝕。為防閃電等高頻電磁對油箱燃油放電影響，在腹板外表面鋪敷銅網(wǎng)，使復(fù)合材料翼盒整體形成電通路。

3.4 應(yīng)用分析

翼梁采用金屬結(jié)構(gòu)，組合式，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平低，零件數(shù)量多，增加結(jié)構(gòu)重量；整體式，盡管應(yīng)力水平較高，零件數(shù)量少，但材料利用率低，且損傷容限低，增加了制造和維護(hù)成本。

復(fù)合材料零件一體成型，結(jié)構(gòu)型式簡單，且有良好的損傷容限特性，比金屬結(jié)構(gòu)維修費(fèi)用顯著減少。

4 中間肋

4.1 中間肋設(shè)計要求

民用飛機(jī)中間肋一般分為腹板肋和構(gòu)架肋2種型式。根據(jù)適航條例FAR25.963所述，機(jī)身內(nèi)部的燃油箱必須能夠承受應(yīng)急著陸情況的慣性力作用(向上，3.0g；向前，9.0g；向側(cè)，3.0g；向下，6.0g；向后，1.5g)而不易破裂并能保存燃油。沿展向布置(展向梁)可輔助蒙皮壁板承載外翼傳來的載荷，但展向梁腹板必須承受燃油向前9.0g 的慣性載荷，因此要增加翼肋重量。順航向布置的肋腹板只承受燃油側(cè)向3.0g 的慣性載荷，可減輕翼肋重量，還可輔助客艙地板梁承載，但需有較強(qiáng)的蒙皮壁板和翼梁。

4.2 方案一：飛機(jī)中間肋

方案一：飛機(jī)翼盒上、下壁板內(nèi)側(cè)由鋁合金構(gòu)架肋連接，以加強(qiáng)中央翼盒。其中6桿構(gòu)架4個，7桿構(gòu)架2個。2個7桿構(gòu)架在龍骨梁所在垂直平面各有一個。4個6桿構(gòu)架位于左、右側(cè)地板梁所在平面。鋁合金構(gòu)架支柱，一端可調(diào)節(jié)長度便于安裝。

4.3 方案二：飛機(jī)中間肋

因壁板及翼梁為復(fù)合材料加筋共固化制造，整體承受外翼載荷的能力較強(qiáng)，采用順航向以中心對稱布置的單面機(jī)加的腹板肋，且在左右1、2肋上分別開有供燃油和維修人員通過的大開口。這樣的整體設(shè)計減輕了翼盒總重。

4.4 應(yīng)用分析

構(gòu)架肋通過支桿的方式支持翼盒結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)型式簡單，制造成本低，內(nèi)部開敞性好，重量輕并在裝配和維護(hù)時十分方便。

相對構(gòu)架肋，腹板肋制造成本高，開敞性差，燃油流動和維護(hù)受空間限制，但其增強(qiáng)了翼盒整體結(jié)構(gòu)抗彎、扭的能力，減輕了蒙皮、翼梁的承載。

同時，中央翼盒作為一個整體油箱，應(yīng)避免積累的電荷在結(jié)構(gòu)間隙中尖端放電產(chǎn)生火花，造成油箱起火。對于間隙放電的處理有以下方法：一是保證結(jié)構(gòu)間隙足夠大，使電能不足以擊穿中間的空氣層；二是結(jié)構(gòu)件之間完全貼合，使其之間沒有電位差；三是在間隙中填充密封膠等隔離材料。

對于構(gòu)架肋方案來說，由于支桿與接頭之間通過插耳銷軸連接，這種連接方式有一定的“靈活性”，上述三種辦法都不能完全保證有效。若采用電搭接，用導(dǎo)線將兩部分直接連接在一起，表面看來能解決此問題，但對于民機(jī)的維護(hù)要求來說，無法保證搭接線在服役期間持續(xù)有效，因此，為保障飛機(jī)安全，就需要經(jīng)常進(jìn)入到翼盒內(nèi)部進(jìn)行檢查，需要拆卸整流罩等其他部件，增加了維護(hù)成本。因此按最新適航條例油箱安全要求，內(nèi)部肋采用腹板肋更合適。

5 檢修口布置

5.1 檢修口設(shè)計要求

檢修口是整體油箱密封裝配和維修的通道，檢修口的形狀、數(shù)量和位置應(yīng)保證密封裝配及對油箱內(nèi)的清洗具有良好的可達(dá)性，同時檢修口尺寸要滿足操作人員出入的最小尺寸要求，且要考慮救出失去知覺的工人的要求。

5.2 方案一：飛機(jī)檢修口

方案一：飛機(jī)在整體機(jī)加的后梁腹板上布置2個檢修口，在開口區(qū)域用筋臺加強(qiáng)。

5.3 方案二：飛機(jī)檢修口

方案二：飛機(jī)選擇在復(fù)合材料下壁板作維修通道開口。因翼盒為密閉結(jié)構(gòu)，且其內(nèi)部為腹板肋，若開兩個出入口，人在其中進(jìn)行作業(yè)時，超過一定的時間有發(fā)生暈厥的可能性。一旦發(fā)生此種事故，需要進(jìn)行救援時，救援人員需從開口爬入，并在狹小的空間內(nèi)，將內(nèi)部受困人員拖回到檢修口將其救出。這個過程異常艱難且緩慢，因此檢修口增加至四個，若發(fā)生危險可直接將人從臨近檢修口救出，且有利于翼盒內(nèi)部通風(fēng)。

5.4 應(yīng)用分析

方案一：機(jī)翼后梁是鍛件機(jī)加成的整體梁，翼梁腹板展向設(shè)置加筋條。方案二：飛機(jī)前、后梁及上、下壁板都為碳纖維共固化的加筋結(jié)構(gòu)。翼梁主要承受彎曲載荷，若在復(fù)合材料梁腹板上作大的開口，在剪應(yīng)力作用下，將嚴(yán)重降低腹板屈曲穩(wěn)定性。下壁板主要承受拉伸載荷，符合復(fù)合材料受力特性，且方便人員進(jìn)出及操作，所以方案二飛機(jī)選擇在下壁板作維修通道開口。

6 翼身連接

6.1 翼身連接設(shè)計要求

中央翼盒連接機(jī)翼與機(jī)身，將機(jī)翼的氣動載荷傳至機(jī)身上。連接接頭及對接區(qū)結(jié)構(gòu)件必須考慮疲勞和損傷容限要求，接頭及其連接件的設(shè)計許用應(yīng)力通過疲勞分析確定。翼身連接形式盡量采用柔性結(jié)構(gòu)或減少螺栓受拉應(yīng)力。傳力路線要短，同時清晰和明確。

6.2 方案一：飛機(jī)翼身連接設(shè)計

方案一：飛機(jī)外翼上、下壁板分別搭接在鈦合金的十字接頭和T型接頭上，同時在下壁板對接處用鈦合金帶板連接，壓力接頭連接上壁板長桁和根肋腹板。十字接頭上部連接機(jī)身側(cè)壁板。如圖6所示。

6.3 方案二：飛機(jī)翼身連接設(shè)計

方案二：飛機(jī)由于采用碳纖維T型長桁共固化的壁板，翼盒、外翼上壁板長桁在根肋處分別由兩片長桁接頭直接夾持連接在肋腹板上。同時在翼盒上壁板外表面有5根短梁與機(jī)身側(cè)壁板加強(qiáng)框相連，相應(yīng)的在根肋內(nèi)側(cè)有5根支持框。見圖7。

6.3 應(yīng)用分析

方案一：飛機(jī)通過根肋、十字接頭及翼盒上壁板與機(jī)身側(cè)壁板的柔性連接傳遞機(jī)翼蒙皮剪力到機(jī)身。機(jī)翼傳來的彎矩大部分進(jìn)入中央翼區(qū)而自身平衡。機(jī)翼傳來的扭矩一部分分解成剪力，另一部分以剪流形式在機(jī)翼根肋通過“T”型材傳入機(jī)身，與機(jī)身的彎矩相平衡。

方案二：飛機(jī)由于上壁板是復(fù)合材料制造，機(jī)翼蒙皮傳來的剪切載荷主要通過連于中央翼上表面的5個帶短梁的加強(qiáng)框，機(jī)身、機(jī)翼的連接型材，傳入機(jī)身。中央翼上壁板的5根與框相連的短梁、5個根肋支持框，既有較強(qiáng)的自身結(jié)構(gòu)又能堅固地支持上壁板，增加上壁板的穩(wěn)定性。此區(qū)域結(jié)構(gòu)5根短

梁載荷多路傳入機(jī)身，又能獲得關(guān)鍵件較高的疲勞壽命。

7 結(jié)束語

通過上述對比分析，飛機(jī)翼盒應(yīng)用復(fù)合材料設(shè)計、制造，采用共固化等技術(shù)，可大量減少零件、緊固件數(shù)量，從而實現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重，降低裝配成本，增加飛行可靠性。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)由于重量輕、疲勞特性好、耐腐蝕、易于制成形狀復(fù)雜的零件等許多優(yōu)點而受到各國飛機(jī)設(shè)計師們的重視。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的采用是改進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)、降低油耗的重要途徑。飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用量是飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志。

同時對于復(fù)合材料設(shè)計，我們還有很多工作要作，這是因為，民機(jī)復(fù)合材料的應(yīng)用仍面臨一些難題：

1)設(shè)計、制造的經(jīng)驗儲備不足，制造成本高；

2)大型件的無損檢測、快速檢測技術(shù)和設(shè)備的缺少；

3)合格審定過程長。

隨著材料科學(xué)的進(jìn)步、生產(chǎn)制造能力的提升，以及計算機(jī)輔助設(shè)計的應(yīng)用，飛機(jī)因選用材料的革新而呈現(xiàn)出輕量化、高可靠、長壽命的設(shè)計。

[1] 《飛機(jī)設(shè)計手冊》總編委會. 飛機(jī)設(shè)計手冊第10冊：結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2000，10.

[2] 張佐光，李敏，陳紹杰. 飛機(jī)結(jié)構(gòu)用先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展[C]//復(fù)合材料—基礎(chǔ)、創(chuàng)新、高效：第十四屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會議論文集(上),2006.

Comparison Between Metal / Composite Material of Center Wing Box Design for Commercial Aircraft

LI Lin

(AVIC Shenyang Aircraft Industry(group) Corporation Ltd., Shenyang 110034, China)

That center wing box is jointed with fuselage bears and transfers plane load. The center wing box is also both fuel box and the fuselage，pressure cabin, and it supports the mid fuselage cabin floor, so the design of the center wing box is significant for the plane project. There appears different thought and plans for the center wing box of the commercial plane with the material science and the manufacture technique improving. This paper presents the application of composite material in the design of aircraft by comparing between the Project 1plane and the Project 2 plane.

center wing box; damage and tolerance; fail-safe;automated tape laying

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.01.009

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A