典型飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

李林

摘 要：翼梁尺寸大、受力復(fù)雜，是飛機(jī)的典型主承力結(jié)構(gòu)。采用復(fù)合材料制造翼梁可達(dá)到減重、提高起重載荷并延長(zhǎng)使用壽命的目的。本文以某型民用飛機(jī)復(fù)合材料翼盒[型梁準(zhǔn)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)與優(yōu)化為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)梁腹板和緣條采用經(jīng)典層合板理論，以穩(wěn)定性、靜強(qiáng)度、最大許用應(yīng)變?yōu)榧s束條件，研究了復(fù)合材料梁基于載荷分段的設(shè)計(jì)方法與鋪層優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：鋪層設(shè)計(jì);梁腹板設(shè)計(jì);梁緣條設(shè)計(jì)

隨著復(fù)合材料技術(shù)的飛速發(fā)展，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)也向著零件大型化、結(jié)構(gòu)整體化方向發(fā)展。結(jié)構(gòu)尺寸的增大和集成程度的增加，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與鋪層優(yōu)化方法提出了更高的要求。本文通過(guò)對(duì)某民用飛機(jī)復(fù)合材料中央翼盒翼梁鋪層設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核的研制，給出了典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法。

1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)

由于目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)主要采用聚合物基復(fù)合材料多向?qū)訅航Y(jié)構(gòu)，它可以由不同比例、不同纖維方向的鋪層構(gòu)成，在結(jié)構(gòu)應(yīng)用時(shí)形成結(jié)構(gòu)的基本元素— 層壓板。從穩(wěn)定性、減少泊松比和熱應(yīng)力等考慮，構(gòu)件設(shè)計(jì)中應(yīng)同時(shí)包含不同鋪層比例和鋪疊順序的00、±450、900四種纖維鋪層，且在保證層壓板纖維鋪層對(duì)稱和均衡前提下某一方向鋪層最多不能超過(guò)總鋪層的60%，不能少于10%。由于這些特點(diǎn)，研究表明復(fù)合材料與金屬結(jié)構(gòu)特性有很多不同，特別是損傷、斷裂和疲勞特性能有很大差異，必須采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特殊的設(shè)計(jì)方法。

2? 復(fù)合材料翼梁設(shè)計(jì)

某民機(jī)中央翼盒翼梁由碳纖維預(yù)浸料鋪貼的[型層壓梁、共固化的2根水平加強(qiáng)筋和機(jī)械連接的4根垂直加強(qiáng)筋組成。

按結(jié)構(gòu)型式，將層壓梁的腹板看作柔性層壓板，緣條看作剛性層壓板。根據(jù)經(jīng)典層壓板理論及鋪層設(shè)計(jì)原則，通過(guò)受力分析、計(jì)算，層壓梁劃分為9個(gè)厚度區(qū)域并得出相應(yīng)區(qū)域鋪層總數(shù)。

說(shuō)明：層板區(qū)域標(biāo)識(shí)X-ZZ

X=層板類型（1，2，3）? ZZ=層板區(qū)域鋪層數(shù)

1=梁腹板（柔性層板）2=梁緣條（剛性層板）3=梁端連接區(qū)（準(zhǔn)各向同性）

2.1? 梁腹板設(shè)計(jì)

梁腹板由柔性區(qū)域和準(zhǔn)各向同性區(qū)域組成，根據(jù)各區(qū)域強(qiáng)度、剛度及功能需求，將纖維鋪層0°/±45°/90°，柔性區(qū)域按44/44/12比例劃分，準(zhǔn)各向同性區(qū)域按25/50/25比例劃分。

2.1.1 穩(wěn)定性分析

梁腹板主要承受彎曲和剪切載荷，將整個(gè)梁腹板以兩個(gè)水平加筋為隔斷分為三個(gè)部分。

其中壁板1和壁板3所受彎曲載荷等效為壓縮載荷，即受壓、剪耦合載荷，壁板2為彎曲和剪切耦合載荷。梁腹板在靠近周邊的部分要求在極限載荷（UL）下不發(fā)生失穩(wěn)，中間的部分要求125%限制載荷（DLL）之上允許發(fā)生失穩(wěn)，進(jìn)而分別對(duì)相應(yīng)區(qū)域壁板應(yīng)用相關(guān)系數(shù)法得出屈曲安全裕度MS值。

2.1.2 靜強(qiáng)度分析

對(duì)腹板用蔡—胡理論分別進(jìn)行拉伸和壓縮失效分析，要包括沖擊損傷剩余強(qiáng)度和開(kāi)口影響分析。失效校核：

—拉伸載荷：Tsai-Wu失效準(zhǔn)則，TAI（Tension After Impact）， FHT（Fill Hole Tension）;

—壓縮載荷：Tsai-Wu失效準(zhǔn)則，CAI（Compression After Impact）， OHC（Open Hole Compression）;

2.1.3 最大許用應(yīng)變分析

對(duì)于復(fù)合材料而言僅僅考慮應(yīng)力對(duì)于結(jié)構(gòu)和材料本身的影響是不準(zhǔn)確的，還需要考慮應(yīng)變的變化范圍，通過(guò)試驗(yàn)得出應(yīng)變?cè)S用值，從而對(duì)結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行尺寸區(qū)域劃分。

2.1.4 翼盒油箱完整性分析

完整性分析主要考慮承受應(yīng)急著陸情況下的慣性力作用，即油壓向前9G的過(guò)載對(duì)梁腹板的影響。

2.2 梁緣條設(shè)計(jì)

梁緣條由剛性區(qū)域和準(zhǔn)各向同性區(qū)域組成，根據(jù)各區(qū)域強(qiáng)度、剛度及功能需求，將纖維鋪層0°/±45°/90°，柔性區(qū)域按57/29/14比例劃分，準(zhǔn)各向同性區(qū)域按25/50/25比例劃分。梁緣條受載較大且處于裝配連接區(qū)域并帶有較大的彎角，因此梁緣條區(qū)域的分析要相對(duì)復(fù)雜一些，將緣條簡(jiǎn)化為桿元件。主要考慮以下幾個(gè)方面。

2.2.1 考慮緊固件布置的幾何尺寸分析

復(fù)合材料層壓板應(yīng)盡可能加大緊固件間距，但為了滿足油箱構(gòu)件防泄漏需求，可考慮采用雙排交錯(cuò)排釘法（5.5d≤P釘間距≤6.5d ，e排距=4d）。

根據(jù)等強(qiáng)度原則。在梁緣條兩端區(qū)域采用較小釘間距，中間區(qū)域采用較大釘間距，這樣既達(dá)到減重要求，同時(shí)提高復(fù)合材料層壓板連接強(qiáng)度及滿足結(jié)構(gòu)功能需求。按緊固件間距尺寸要求可以得出梁緣條寬度初始尺寸。

2.2.2穩(wěn)定性分析

梁緣條需要分析三個(gè)方面的穩(wěn)定性：

—局部失穩(wěn)（Local Bucking）;

—壓損破壞（Cripping）;

—柱屈曲（Column Buckling）。

2.2.3 靜強(qiáng)度分析

對(duì)梁緣條用蔡—胡理論分別進(jìn)行拉伸和壓縮失效分析，要包括沖擊損傷剩余強(qiáng)度和開(kāi)口影響分析。失效校核：

—拉伸載荷：Tsai-Wu失效準(zhǔn)則，TAI（Tension After Impact）， FHT（Fill Hole Tension）;

—壓縮載荷：Tsai-Wu失效準(zhǔn)則，CAI（Compression After Impact）， OHC（Open Hole Compression）。

2.2.4 最大許用應(yīng)變分析

同復(fù)合材料腹板，還需考慮緣條應(yīng)變的變化范圍，通過(guò)試驗(yàn)得出材料元件應(yīng)變?cè)S用值，從而對(duì)梁緣條結(jié)構(gòu)單元不同區(qū)域尺寸進(jìn)行校核。

通過(guò)對(duì)層壓梁腹板、緣條失效分析，逐步修正、迭代計(jì)算確定層壓梁幾何尺寸及各區(qū)域相應(yīng)鋪層數(shù)、鋪層比例和鋪層順序。

同理，梁加強(qiáng)筋的立邊和臥邊也可看作剛性層壓板，按60/30/10比例劃分0°/±45°/90°纖維鋪層，并進(jìn)行相應(yīng)失效準(zhǔn)則校核。

復(fù)合材料翼梁各區(qū)域鋪層設(shè)計(jì)確定后即可進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造一體化設(shè)計(jì)，完成翼梁的設(shè)計(jì)與工藝的轉(zhuǎn)化。

3? 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某民用飛機(jī)復(fù)合材料中央翼盒翼梁，應(yīng)用經(jīng)典層壓板理論對(duì)翼梁不同厚度區(qū)域進(jìn)行分段設(shè)計(jì)校核，獲得了滿足要求的翼梁纖維鋪層設(shè)計(jì)。隨著飛機(jī)性能不斷提高，復(fù)合材料在飛機(jī)主結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的不斷增加，新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，特別是在低成本要求驅(qū)動(dòng)下復(fù)合材料整體化結(jié)構(gòu)的發(fā)展，其強(qiáng)度規(guī)范和設(shè)計(jì)方法必然也要不斷發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 沈真，章怡寧，黎觀生. 復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的特點(diǎn). 中國(guó)航空學(xué)會(huì)第五屆復(fù)合材料專業(yè)委員會(huì)成立大會(huì)暨航空用復(fù)合材料新技術(shù)及其應(yīng)用研討會(huì)

[2] 萬(wàn)建平，李朝光，杜龍. 典型復(fù)合材料襟翼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì). 教練機(jī).2014第4期