葛建彪 劉 婷 / Ge Jianbiao Liu Ting

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

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中央翼復(fù)合材料后梁大開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)與分析

葛建彪 劉 婷 / Ge Jianbiao Liu Ting

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

復(fù)合材料作為一種優(yōu)良的航空材料，具有比強(qiáng)度高、比剛度大，材料力學(xué)性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料中央翼后梁因制造性和維護(hù)性要求需要開(kāi)孔，由于復(fù)合材料各向異性的特點(diǎn)，其開(kāi)口加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比金屬結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。通過(guò)中央翼復(fù)合材料后梁大開(kāi)口設(shè)計(jì)并開(kāi)展試驗(yàn)研究，對(duì)飛機(jī)中央翼復(fù)合材料后梁開(kāi)口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

復(fù)合材料；大開(kāi)口；后梁；補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

0 引言

復(fù)合材料相比于金屬材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，一般情況下復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度大、制造工藝簡(jiǎn)單以及材料的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特性。目前由于航空工業(yè)及其他工業(yè)的需求，尤其是近年來(lái)航空工業(yè)對(duì)飛機(jī)減重以及成本考慮上，高性能的復(fù)合材料在設(shè)計(jì)和制造上得到了很大的發(fā)展。目前大多數(shù)先進(jìn)民用飛機(jī)中央翼均使用復(fù)合材料。

本文對(duì)民用飛機(jī)復(fù)合材料中央翼后梁開(kāi)展研究，梁腹板與緣條整體鋪設(shè)成型，中央翼后梁結(jié)構(gòu)主要承受來(lái)自外翼的剪力，承擔(dān)部分彎矩、扭矩。為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可達(dá)性，中央翼油箱結(jié)構(gòu)必須設(shè)置維修口蓋以提供維修通路。本文針對(duì)復(fù)合材料中央翼后梁大開(kāi)口布局，設(shè)計(jì)了其開(kāi)口形式，比較不同的補(bǔ)強(qiáng)方法對(duì)結(jié)構(gòu)效率的影響，從而選擇最優(yōu)的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證了復(fù)合材料后梁開(kāi)口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性，其設(shè)計(jì)思路和方法對(duì)民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。

1 后梁腹板開(kāi)口設(shè)計(jì)

以某型民機(jī)中央翼后梁為參考。選用碳纖維T800級(jí)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

后梁開(kāi)口需要滿足的基本條件為：

(1)滿足基本人孔功能要求；

(2)開(kāi)口區(qū)周邊應(yīng)力集中小，分布相對(duì)均勻；

(3)對(duì)后梁整體承載能力削弱最小。

根據(jù)不同的開(kāi)口形式進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化分析。對(duì)比后梁結(jié)構(gòu)不同開(kāi)口的應(yīng)力應(yīng)變分布和開(kāi)口區(qū)的應(yīng)力集中情況，選出一種最佳的開(kāi)口形式。

后梁腹板主要承擔(dān)剪切載荷，45°鋪層的比例超過(guò)50%。開(kāi)口切斷45°纖維的面積越少即對(duì)整體承載能力削弱最小，菱形開(kāi)口為最優(yōu)開(kāi)口，但考慮到銳角倒圓，最終確定后梁開(kāi)口形式為最接近菱形開(kāi)口的橢圓形，如圖1所示。

圖1 后梁腹板開(kāi)口形狀

2 開(kāi)口分析

腹板校核時(shí)一般采用最大應(yīng)變控制法。有限元計(jì)算結(jié)果中，層壓板的最大拉伸應(yīng)變，最大壓縮應(yīng)變，最大剪切應(yīng)變均不得大于各自許用應(yīng)變。即：

ε拉<[ε]拉=3 200με

ε壓<[ε]壓=3 200με

τ<[τ]=5 000με

2.1 未開(kāi)口梁分析

考慮后梁可能承受的最大彎矩和剪力，建立相應(yīng)的后梁有限元模型，如圖2所示。未開(kāi)口梁應(yīng)變結(jié)果如圖3所示。

圖2 未開(kāi)口梁有限元模型

通過(guò)計(jì)算結(jié)果得出所有應(yīng)變結(jié)果均未超過(guò)許用應(yīng)變值，滿足強(qiáng)度要求。

2.2 大開(kāi)口分析

大開(kāi)口對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能降低遠(yuǎn)高于金屬結(jié)構(gòu)。根據(jù)優(yōu)化后的開(kāi)口形狀、開(kāi)口位置建立有限元模型，應(yīng)變結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)分析結(jié)果應(yīng)變值均已超過(guò)許用應(yīng)變值。

2.3 大開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

后梁大開(kāi)口為維修人孔，在維修人員進(jìn)出時(shí)，不可避免地對(duì)口邊帶來(lái)沖擊產(chǎn)生損傷，所以必須對(duì)口邊進(jìn)行保護(hù)，復(fù)合材料對(duì)沖擊具有敏感性，需要采用金屬鈦板補(bǔ)強(qiáng)。幾種補(bǔ)強(qiáng)方式如圖5～圖8所示。

綜合考慮補(bǔ)強(qiáng)效率，金屬和復(fù)材插層補(bǔ)強(qiáng)結(jié)合的方式最有效。以2mm厚度的鈦板作為補(bǔ)強(qiáng)厚度來(lái)完成補(bǔ)強(qiáng)。金屬加強(qiáng)板(鈦板)通過(guò)機(jī)械連接的形式連接在中央翼后梁的外側(cè)，如圖7所示。同時(shí)為了保證復(fù)合材料后梁外表面的平整規(guī)則，將所有復(fù)合材料插層補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域置于后梁內(nèi)表面，如圖8所示。鋪層順序見(jiàn)表1。補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變結(jié)果如圖9所示。

(a) 0°層應(yīng)變結(jié)果

(b) 90°層應(yīng)變結(jié)果

(c) 45°層應(yīng)變結(jié)果

(d) -45°層應(yīng)變結(jié)果

(a) 0°層應(yīng)變結(jié)果

(b) 90°層應(yīng)變結(jié)果

(c) 45°層應(yīng)變結(jié)果

(d) -45°層應(yīng)變結(jié)果

圖5 大開(kāi)口梁剖面

圖6 大開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)方式剖面

圖7 鈦板補(bǔ)強(qiáng)方式(正面)

圖8 插層補(bǔ)強(qiáng)方式(背面)

表1 鋪層順序

(a) 0°層應(yīng)變結(jié)果

(b) 90°層應(yīng)變結(jié)果

(c) 45°層應(yīng)變結(jié)果

(d) -45°層應(yīng)變結(jié)果

經(jīng)計(jì)算分析，后梁開(kāi)口區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)后，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變值均滿足控制應(yīng)變?cè)S用值要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，通過(guò)剪切板試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，本試驗(yàn)可以為復(fù)合材料中央翼后梁結(jié)構(gòu)的大開(kāi)口選擇合理的補(bǔ)強(qiáng)方式。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法的正確性。

綜合考慮后梁結(jié)構(gòu)的功能要求和結(jié)構(gòu)布置方案，選取了腹板剪切試驗(yàn)件尺寸及結(jié)構(gòu)形式，腹板試件四邊均為簡(jiǎn)支，并承受剪流q的作用,如圖10所示。

圖10 腹板試驗(yàn)件模型

為對(duì)比金屬補(bǔ)強(qiáng)和插層補(bǔ)強(qiáng)兩種補(bǔ)強(qiáng)方式對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響，本試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)腹板剪切試驗(yàn)件進(jìn)行面內(nèi)靜態(tài)剪切試驗(yàn)，測(cè)試其強(qiáng)度、失穩(wěn)破壞載荷及失穩(wěn)模態(tài)。制作加工9件試驗(yàn)件，其中開(kāi)口未補(bǔ)強(qiáng)件、金屬補(bǔ)強(qiáng)件和插層補(bǔ)強(qiáng)件各3件，見(jiàn)表2。試驗(yàn)件如圖11所示。各試驗(yàn)結(jié)果及其與仿真結(jié)果的比對(duì)見(jiàn)表3。

表2 試驗(yàn)項(xiàng)目

圖11 剪切荷載加載裝置三維圖

表3 試驗(yàn)結(jié)果匯總

對(duì)表3中試驗(yàn)結(jié)果及其與仿真結(jié)果的比對(duì)分析可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)金屬補(bǔ)強(qiáng)和插層補(bǔ)強(qiáng)達(dá)到了預(yù)期的效果，使結(jié)構(gòu)屈曲載荷提高550%～600%。

(2)有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，說(shuō)明開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法是合理且有效的。

通過(guò)結(jié)果比對(duì)可知，對(duì)于剪切載荷作用下開(kāi)口加筋壁板，分析結(jié)果能比較準(zhǔn)確地反應(yīng)結(jié)構(gòu)真實(shí)工作情況。

4 結(jié)論

復(fù)合材料開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，本文初步設(shè)計(jì)了中央翼復(fù)合材料后梁的開(kāi)口結(jié)構(gòu)，并對(duì)開(kāi)口及周圍補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，分析了開(kāi)口結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)形式，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。其設(shè)計(jì)思路和方法對(duì)復(fù)合材料開(kāi)口結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。

[1] 楊乃斌，章怡寧.復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [M] . 北京：航空工業(yè)出版社出版，2002 .

[2] 中國(guó)航空研究院編.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析指南 [M] .北京：航空工業(yè)出版社出版，2002 .

Strengthen Design and Analysis on Large Opening of Center Wing Composite Rear Spar

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

Composite as excellent aviation material is widely used due to its high intensity, stiffness and designable performance. In order to satisfy manufacture process and maintain requirement ,the center wing rear spar needs to open hole. The strengthening structure on composite is more complex than that on metal structure because of composite material anisotropic characteristics. This paper describes large opening design on composite and verifies with experiments. The research can provide technical support for the large opening design on the rear spar of composite center wing.

composite materials；large opening；rear spar；strengthen design

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