民用飛機復(fù)合材料翼盒蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計

馬 壯

（中航沈飛民用飛機有限責(zé)任公司 遼寧 沈陽 110000）

0 引言

復(fù)合材料具有比強度和比剛度高、力學(xué)性能可設(shè)計等優(yōu)點，對民用飛機的輕量化設(shè)計產(chǎn)生了革命性的影響[1]。本文以民用飛機復(fù)合材料蒙皮過渡區(qū)的詳細設(shè)計過程作為主要研究對象，以設(shè)計過程中遇到的實際問題為出發(fā)點，尋找合理的解決方案，并且充分體現(xiàn)了復(fù)合材料可設(shè)計性。

典型翼盒主要有壁板、前后梁、內(nèi)部翼肋框架等結(jié)構(gòu)，壁板由蒙皮和長桁布置組成，見圖1。長桁與肋形成縱橫格柵將蒙皮劃分為若干網(wǎng)格，按每個網(wǎng)格單元進行鋪層優(yōu)化[2]和結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)強度載荷工況優(yōu)化計算得到每個區(qū)域的最小鋪層數(shù)，如表1所示為某型號尾翼盒段蒙皮厚度分布。

表1 蒙皮厚度分布示例

1 過渡區(qū)設(shè)計驅(qū)動

復(fù)合材料蒙皮為了減重采用變厚度設(shè)計[3]，不同相鄰厚度之間為過渡區(qū)，過渡區(qū)的設(shè)計是復(fù)合材料蒙皮設(shè)計的重點和難點。本文從零件制造工藝性、力學(xué)性能、重量及裝配連接要求4個方面闡述蒙皮過渡區(qū)的設(shè)計驅(qū)動。

1.1 零件制造工藝

蒙皮厚度的變化是通過減層來實現(xiàn)的，過渡區(qū)的設(shè)計應(yīng)保證鋪層的鋪貼性和固化壓實問題，降低固化后丟層區(qū)分層的可能性。蒙皮鋪貼的過程中需要對過渡區(qū)的每個丟層進行定位，理論上希望過渡區(qū)中的丟層能夠均勻鋪覆實現(xiàn)等比例過渡，但實際上存在鋪層的定位精度，如果過渡區(qū)比例設(shè)計過大，意味著相鄰兩個丟層的間距越小，對鋪層定位的精度要求更為嚴格。

不同的丟層比例對自動化鋪貼工藝及固化后的質(zhì)量具有一定影響，在過渡區(qū)邊緣會存在樹脂富集的現(xiàn)象，而樹脂富集程度與斜坡比具有一定關(guān)系，丟層比1∶10過渡區(qū)樹脂富集現(xiàn)象最為明顯，1∶20次之，1∶40最次[4]。

1.2 力學(xué)性能

蒙皮主要承受翼盒受扭和受彎引起的剪力，層合板鋪層遞減會造成結(jié)構(gòu)幾何不連續(xù)，加上剪切滯后效應(yīng)的影響，會導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部和局部應(yīng)力集中，因此蒙皮過渡區(qū)丟層比例的選擇需要考慮不同厚度之間的載荷傳遞，丟層比例越小越有利于載荷的傳遞。各種方向鋪層均勻散開鋪疊的層合板，在多數(shù)情況下性能最優(yōu)，承載能力最好[5]。

一般常用的過渡區(qū)比例有1∶10、1∶20和1∶40，根據(jù)蒙皮沿展向和弦向受力程度的不同，沿展向丟層比例不大于1∶20，弦向丟層比例不大于1∶10。

不同丟層比例層壓板的力學(xué)性能差異的具體數(shù)據(jù)可通過相關(guān)試驗得出，過渡區(qū)斜率為1∶10試驗件的剛度和過渡區(qū)斜率為1∶20試驗件的剛度相差約30%[6]。但是不能為了追求更好的力學(xué)性能而采用過小的丟層比例，丟層比例越小則過渡區(qū)范圍越大，重量也越大，因此需要綜合考慮。

1.3 重量

關(guān)于復(fù)合材料蒙皮或壁板的減重，目前學(xué)術(shù)上有很多關(guān)于以強度分析優(yōu)化或者壁板整體布局優(yōu)化等不同角度來考慮的減重方式，減重工作應(yīng)該貫穿整個設(shè)計流程，在結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計過程中依然如此，并且可以通過采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案實現(xiàn)減重。

強度計算結(jié)果其實是一種理想狀態(tài)的蒙皮厚度分布，所代表的蒙皮重量也是一種理想狀態(tài)。下一章節(jié)提到關(guān)于蒙皮厚度優(yōu)化過程其實是一個增重的過程，但這是不可避免的，最終目標是希望將重量控制在合理的范圍。

為了保證強度計算結(jié)果中所規(guī)定的較厚區(qū)的最小范圍，一般將過渡區(qū)放置在相鄰兩個厚度中的薄區(qū)，把較厚區(qū)的范圍擴大。如圖2所示，過渡區(qū)應(yīng)放置在50層區(qū)域，但過渡區(qū)距離2個長桁分界站位面越遠，厚區(qū)范圍越大，蒙皮增重越明顯，為了避免過度增重，原則約定縱橫向零件（例如長桁、肋等）距離過渡區(qū)邊緣保持最小5mm的平面距離。

1.4 裝配與連接

強度計算結(jié)果數(shù)據(jù)中將長桁和肋部位作為不同厚度區(qū)域之間界線，但實際蒙皮結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)位置應(yīng)考慮長桁和肋結(jié)構(gòu)的影響，需要協(xié)調(diào)丟層區(qū)與其他周圍結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系，滿足裝配要求。

考慮蒙皮與長桁之間以及蒙皮與肋之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，長桁、肋的緣條與蒙皮的連接不論是機械連接還是非機械連接，其連接區(qū)域的蒙皮應(yīng)該是等厚區(qū)，因此蒙皮的過渡區(qū)需要布置在長桁之間以及肋之間。以翼盒弦向來看，相鄰兩根長桁緣條之間的距離是十分有限的，而且還要保證蒙皮過渡區(qū)與長桁之間保持的一定距離，因此蒙皮沿弦向的過渡區(qū)需要設(shè)計得較短一些，采用的丟層比例較大。以翼盒展向來看，蒙皮沿展向的過渡區(qū)需要在相鄰兩個肋之間布置，雖然與較小的長桁間距相比，肋間距相對較大，有更大的空間允許蒙皮采用更小的丟層比例進行過渡，但是如果蒙皮厚度變化過大，并且采用了不當?shù)倪^渡區(qū)設(shè)計方式依然會存在相鄰肋之間無法布置蒙皮延展向的過渡區(qū)。

考慮到長桁膠接到帶有鋪層遞減的蒙皮表面，作為蒙皮和長桁之間的配合表面，斜坡可以設(shè)計得更緩和一些，例如可以采取1∶40或1∶100的比例。與梁緣條貼合區(qū)域的過渡區(qū)丟層比例主要考慮蒙皮與梁緣條緊固件連接，此類帶有連接緊固件的過渡區(qū)所要求的最小斜坡比例為1∶40。

2 蒙皮厚度分布及優(yōu)化

表1數(shù)據(jù)為強度計算結(jié)果，根據(jù)實際長桁、肋等結(jié)構(gòu)以及蒙皮過渡區(qū)的布置，還需要將強度計算結(jié)果進行優(yōu)化調(diào)整，適當增加局部區(qū)域的鋪層厚度。如表2所示，將表1中后梁與1長桁之間（RS-Str1），1號肋與2號肋之間（BAY2）的區(qū)域鋪層數(shù)由68層調(diào)整到72層，調(diào)整前相同長桁區(qū)間的BAY1與BAY3的鋪層厚度均為72層，按照上一章節(jié)中確定過渡區(qū)位置保證厚區(qū)最小范圍的原則，此處兩個過渡區(qū)均需要放置在厚度較薄的區(qū)域（BAY2區(qū)），肋間距是固定不變的，因此BAY2區(qū)作為相對薄區(qū)（68層厚度）的區(qū)域所剩不多，同時此區(qū)域與后梁連接，與梁緣條連接的貼合面應(yīng)簡化丟層區(qū)，降低制造難度，將此區(qū)域（BAY2）的鋪層厚度調(diào)整為與相鄰區(qū)域鋪層厚度一致是一種合理的結(jié)構(gòu)簡化。

表2 優(yōu)化調(diào)整后蒙皮分布

除此之外，還需要考慮到相鄰區(qū)域鋪層數(shù)相差過大的問題，若出現(xiàn)厚度相差過大的情況需要適當增加薄區(qū)的鋪層數(shù)。在盒段根部區(qū)域，相鄰區(qū)域厚度相差過大還會導(dǎo)致過渡區(qū)寬度過大，影響盒段根部區(qū)域緊固件的排布。如圖3所示，此盒段根部區(qū)域長桁之間需要排布兩排緊固件，蒙皮過渡區(qū)只能放置在兩排緊固件之間，在現(xiàn)有長桁間距的基礎(chǔ)上，為了能夠合理布置長桁之間的兩排緊固件需要合理控制過渡區(qū)的寬度，即控制相鄰區(qū)域的蒙皮厚度差。表1中1長桁與2長桁之間（Str1-Str2），根部肋與1號肋之間（BAY1）的60層調(diào)整為64層，調(diào)整前，此區(qū)域的60層與相鄰區(qū)厚度相差過大，因此需要將薄區(qū)的厚度適當增大。

3 過渡區(qū)典型設(shè)計方案

3.1 平行過渡區(qū)設(shè)計方案

平行過渡區(qū)設(shè)計方案見圖4，其特點是兩個方向的過渡區(qū)均平行布置且沒有交叉。圖4顯示了某盒段局部蒙皮以平行過渡區(qū)設(shè)計方式從最厚區(qū)60層過渡到最薄區(qū)28層的丟層方案，以第一層丟層為起始，按照一定比例進行過渡，展向（主載荷方向）按1∶20比例過渡，弦向按1∶10比例過渡，過渡區(qū)中的每個鋪層都可以被另外相鄰鋪層所覆蓋，此過渡區(qū)設(shè)計方案需要較大空間來布置過渡區(qū)，厚區(qū)范圍相對較大，較薄的區(qū)域被大量壓縮。

從整體來看，60層過渡到28層，按單層厚度0.185 mm計算，沿展向過渡區(qū)的長度為118.4 mm，如果出現(xiàn)薄厚差更大且要求主載荷丟層比例更小的情況，很可能出現(xiàn)展向過渡區(qū)的長度大于肋間距的距離，即沿展向無法在一個肋間距之間將丟層分布開，導(dǎo)致肋緣條會壓在沿展向的過渡區(qū)上，這將是無法接受的設(shè)計。

翼盒中梁、肋以及長桁等結(jié)構(gòu)的占位面均由前期總體方案確定，不能通過增加肋間距來解決上述問題，最直接的解決方法是對薄區(qū)增厚，縮小最厚區(qū)與最薄區(qū)的厚度差，但這種解決方式所帶來的弊端是增重較大，雖然解決了問題但是也付出了不小的代價。還是需要從丟層設(shè)計本身來想辦法解決這一問題，充分地發(fā)揮復(fù)合材料可設(shè)計性的優(yōu)勢。

3.2 過渡區(qū)交叉設(shè)計方案

此過渡區(qū)設(shè)計方案的特點是展向和弦向兩個方向的過渡區(qū)存在交叉，并且過渡區(qū)的位置更靠近厚區(qū)，較薄區(qū)域的范圍相對擴大。按照圖4中的厚度分布，以交叉設(shè)計方案實現(xiàn)的過渡區(qū)丟層結(jié)果見圖5。此時，按照相同的單層厚度及過渡比例計算展向的過渡區(qū)長度為81.4 mm，過渡區(qū)所占空間大幅縮小，由于過渡區(qū)過長沿展向兩個肋之間丟層無法布開的問題得以解決。

與此同時，50層及38層所在區(qū)域的范圍得到縮小，沿展向分別縮短了37 mm和74 mm，對于整個層壓板起到了減重的效果。

3.3 過渡區(qū)設(shè)計對比分析

兩種過渡區(qū)設(shè)計方案各有優(yōu)劣，平行過渡區(qū)設(shè)計方案的鋪層輪廓更為清晰明確易于設(shè)計，各鋪層之間沒有交叉有利于鋪貼，但是需要占用較大空間且厚區(qū)范圍較大不利于減重[7]。

與平行過渡區(qū)設(shè)計方案相比，在不改變丟層比例的情況下，交叉設(shè)計方案的過渡區(qū)更小，長度縮短了將近1/3，更節(jié)省空間，有利于肋結(jié)構(gòu)的布置，蒙皮重量相對較輕，以示例的盒段蒙皮為樣本，此設(shè)計方案可減重約5%。但鋪層輪廓交叉對制造鋪貼過程以及層壓板固化效果的影響有待進一步來驗證。兩種過渡區(qū)設(shè)計方案從力學(xué)性能方面考慮，在滿足過渡區(qū)位置確定原則的基礎(chǔ)上，丟層比例相同的情況下兩種方案的載荷傳遞能力差別不大。

兩種不同過渡區(qū)設(shè)計方案的對比見表3。

表3 兩種過渡區(qū)設(shè)計方案對比

4 結(jié)論

本文對民用飛機復(fù)合材料盒段蒙皮的結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計階段進行研究，對蒙皮過渡區(qū)的設(shè)計驅(qū)動進行了闡述，結(jié)合盒段實際結(jié)構(gòu)及緊固件布置的需求，提出基于強度計算結(jié)果的蒙皮厚度優(yōu)化方法。提出了兩種過渡區(qū)設(shè)計方案，以不同的設(shè)計驅(qū)動角度對比分析兩種設(shè)計方案的優(yōu)劣，得到如下結(jié)論。

（1）過渡區(qū)交叉設(shè)計方案可以大幅縮短過渡區(qū)長度，相比平行設(shè)計方案過渡區(qū)長度可縮短1/3，解決因過渡區(qū)過長導(dǎo)致的無法在一個肋間距內(nèi)布置蒙皮丟層的問題。

（2）使用交叉設(shè)計方案進行丟層對蒙皮局部具有減重效果，蒙皮詳細設(shè)計過程中可以通過改變局部過渡區(qū)的丟層方式進行減重。

（3）對于復(fù)合材料蒙皮來說，強度優(yōu)化計算的結(jié)果是一種理想狀態(tài)的厚度分布，需要結(jié)合實際結(jié)構(gòu)對其進行合理簡化。