陳堯渠

某型飛機(jī)復(fù)合材料艙門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

陳堯渠

（中國航空制造技術(shù)研究院復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300）

隨著先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用也越來越廣泛，尤其是碳纖維復(fù)合材料，其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件的減重要求中起著至關(guān)重要的作用。針對某型飛機(jī)艙門復(fù)合材料結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)、材料選擇、金屬與碳纖維復(fù)合材料之間的處理方式、使用有限元分析軟件對艙門進(jìn)行強(qiáng)度校核方面對艙門的改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。

復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元；艙門

1 引言

隨著先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)在國內(nèi)的不斷發(fā)展，航空領(lǐng)域越來越多的先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)替換了原有的金屬材料，碳纖維復(fù)合材料的使用量也越來越多。由于復(fù)合材料具有較高的比模量、比強(qiáng)度，且密度低于飛機(jī)常用的金屬材料，所以在減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量方面，復(fù)合材料起到了至關(guān)重要的作用。將其用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，可比常規(guī)的金屬結(jié)構(gòu)減重25%～30%，并可明顯改善飛機(jī)氣動彈性特性，提高飛行性能，這是其他材料無法或難以實(shí)現(xiàn)的[1]。將原金屬結(jié)構(gòu)的艙門替換為復(fù)合材料的艙門，并對艙門的結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行了有限元強(qiáng)度校核。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮材料選用、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度/剛度要求、制造工藝性、維護(hù)使用性、質(zhì)量等要求。具體原則如下：①主承力結(jié)構(gòu)布置原則。綜合考慮全機(jī)總體布置、載荷及各部件傳力路線及使用維護(hù)等要求，結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)過程中綜合實(shí)施全機(jī)優(yōu)化、主承力構(gòu)件綜合利用、最短傳力路線、剛度變化均勻和構(gòu)件連續(xù)及減小偏心等原則。②強(qiáng)度、剛度原則。結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度、剛度。在使用載荷時(shí)，不產(chǎn)生有害的變形；在設(shè)計(jì)載荷時(shí)，不發(fā)生破壞；不影響運(yùn)動機(jī)構(gòu)正常工作。③選材、工藝原則。綜合考慮成本和技術(shù)成熟度，在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的前提下，優(yōu)先選用成熟材料和配套工藝技術(shù)。④質(zhì)量要求。單側(cè)艙門總質(zhì)量不大于80 kg。

1.2 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

由于艙門主要承受氣動載荷，艙門的主要受力形式為外蒙皮承受氣動力，通過內(nèi)部橫縱梁骨架傳遞到鉸鏈接頭，再由鉸鏈接頭傳至機(jī)身。艙門整體結(jié)構(gòu)使用內(nèi)蒙皮、外蒙皮加內(nèi)部橫縱梁的典型結(jié)構(gòu)，內(nèi)蒙皮、外蒙皮采用碳纖維復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)，內(nèi)蒙皮、外蒙皮之間布置7根橫向梁和3根縱向梁，其中3根橫向梁布置在艙門鉸鏈接頭中心線上，另外4根均布，布局結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 艙門內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局圖（未顯示內(nèi)蒙皮）

艙門的外蒙皮與內(nèi)部的橫向梁、縱向梁采用復(fù)合材料零件與復(fù)合材料零件之間的二次膠接形式進(jìn)行連接，二次膠接的連接方式與機(jī)械連接的方式相比，連接整體性好，工藝性好，且膠接使用膠膜的質(zhì)量比機(jī)械連接使用緊固件的質(zhì)量小，可達(dá)到更好的減重目的及效果。艙門的內(nèi)蒙皮與內(nèi)部橫縱梁采用抽釘進(jìn)行機(jī)械連接。

由于該飛機(jī)有防腐蝕的要求，所以需在橫梁、縱梁與內(nèi)蒙皮、外蒙皮裝配時(shí)做密封處理，在所有復(fù)合材料零件表面噴涂防腐蝕環(huán)氧底漆，接頭及金屬連接件零件表面噴涂耐流體環(huán)氧底漆[2]。

1.3 橫縱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

艙門內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用典型的橫縱梁骨架結(jié)構(gòu)。

不與鉸鏈接頭相連接的橫向梁采用“C”形截面梁，與鉸鏈接頭相連接的橫向梁在接頭處采用“工”形截面，減小接頭處由于不對稱所產(chǎn)生的附加彎矩，在第一縱向梁后截面變?yōu)椤癈”形截面梁。材料使用300系列碳纖維/環(huán)氧樹脂體系（單層厚度0.125 mm）?？v向梁主體采用“C”形截面梁，在縱向梁兩端采用“工”形截面。材料使用300系列碳纖維/環(huán)氧樹脂體系（單層厚度0.125 mm）。

艙門橫向端梁采用7050鋁的金屬結(jié)構(gòu)梁，由于金屬梁與艙門的復(fù)合材料蒙皮之間存在接觸配合關(guān)系，且金屬與碳纖維復(fù)合材料之間會發(fā)生電位腐蝕，會對復(fù)合材料表面造成損傷，所以可對7050鋁金屬材料進(jìn)行陽極化處理，對于碳纖維復(fù)合材料，可將玻璃纖維層固化到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)接觸面上[3]，這樣可以有效防止復(fù)合材料表面發(fā)生腐蝕。

1.4 蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

艙門結(jié)構(gòu)的蒙皮分內(nèi)蒙皮和外蒙皮，由于艙門主要承受氣動載荷，艙門的主要受力形式為外蒙皮承受氣動力，通過內(nèi)部橫縱梁骨架傳遞到鉸鏈接頭，再由鉸鏈接頭傳至機(jī)身。

艙門的內(nèi)蒙皮、外蒙皮均采用300系列碳纖維/環(huán)氧樹脂體系（單層厚度0.125 mm）的層壓板結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求比較嚴(yán)格，根據(jù)有限元強(qiáng)度計(jì)算的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況的結(jié)果，對蒙皮厚度進(jìn)行優(yōu)化后采用變厚度設(shè)計(jì)，以減少不必要的質(zhì)量，達(dá)到減重目的。根據(jù)復(fù)合材料與緊固件之間的最小沉頭釘?shù)暮穸纫?，蒙皮與橫縱梁連接部分區(qū)域厚度為 3 mm，保證在復(fù)合材料上制作沉頭孔時(shí)的最小剩余厚度，在非連接區(qū)的復(fù)合材料的厚度為2 mm。

根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)原則，鋪層中應(yīng)含有0°、±45°、90°四種鋪層，蒙皮鋪層局部坐標(biāo)系選擇沿艙門長邊方向0°鋪層方向，鋪層比例根據(jù)艙門蒙皮受力狀態(tài)確定，經(jīng)過初步有限元計(jì)算仿真結(jié)果得到的艙門變形狀態(tài)主要是沿0°方向彎曲。應(yīng)將0°鋪層作為主要鋪層方向，在其基礎(chǔ)上增加±45°與90°的鋪層，最終艙門蒙皮鋪層中0°、±45°、90°的鋪層比例選擇為3∶2∶1。由于艙門外蒙皮為氣動表面，且位于機(jī)腹位置，在起飛與降落的時(shí)候會遇到由于速度很大而濺起的碎石，所以艙門的外表面還應(yīng)該具有防碎石沖擊的能力，艙門外蒙皮最外側(cè)鋪層選用±45°，其余鋪層按同方向連續(xù)鋪層不超過3層的原則進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)。

2 有限元強(qiáng)度計(jì)算

2.1 材料選擇及性能

艙門的內(nèi)外蒙皮與橫向梁、縱向梁均選用碳纖維300系列/環(huán)氧樹脂體系的復(fù)合材料，其計(jì)算時(shí)選用的材料力學(xué)性能如表1所示，艙門的橫向端部梁選用7050系列鋁合金材料，其計(jì)算時(shí)的材料力學(xué)性能如表2所示。

表1 碳纖維300系列/環(huán)氧樹脂體系力學(xué)性能

0°拉伸模量/GPa1290°拉伸強(qiáng)度/MPa1 773 0°壓縮模量/GPa1220°壓縮強(qiáng)度/MPa1 264 90°拉伸模量/GPa9.890°拉伸強(qiáng)度/MPa68.8 90°壓縮模量/GPa9.890°壓縮強(qiáng)度/MPa225 剪切模量/GPa5.38剪切強(qiáng)度/MPa132

表2 7050系列鋁合金力學(xué)性能

E/GPaG/GPaγρ/（g·cm﹣3）σb/MPa 70.626.540.332.7490

2.2 有限元模型

艙門的有限元模型由內(nèi)蒙皮、外蒙皮、橫向梁、縱向梁和金屬端梁組成。

利用Patran軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格的建模，利用Nastran求解器進(jìn)行求解。建模坐標(biāo)采用全機(jī)坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)按飛機(jī)總體坐標(biāo)原點(diǎn)位置，逆航向?yàn)檩S正方向，軸為機(jī)身向上正向，軸按右手定則確定。

艙門主體結(jié)構(gòu)采用“shell元”結(jié)構(gòu)。為了真實(shí)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)及承載方式，對艙門內(nèi)蒙皮、外蒙皮、橫向梁、縱向梁都采用“shell元”，金屬梁腹板采用“shell元”，金屬梁上下緣條采用“rod元”，內(nèi)蒙皮與橫梁、縱梁之間的連接采用“CFast元”模擬釘元連接。

上艙門與機(jī)構(gòu)擺桿連接處為鉸接，約束模擬為（1，2，3，5，6），即僅放開向轉(zhuǎn)動自由度，約束其余轉(zhuǎn)動及位移自由度；艙門與機(jī)身連接鉸鏈接頭約束模擬為（1，2，3，5，6），即僅放開繞軸轉(zhuǎn)動的自由度；氣動載荷加載在艙門內(nèi)蒙皮、外蒙皮節(jié)點(diǎn)上，建立空間場的形式進(jìn)行加載。

2.3 計(jì)算結(jié)果

該艙門的剛強(qiáng)度指標(biāo)要求為艙門質(zhì)量不大于80 kg，位于艙門自由邊界中心處的最大變形量不大于18 mm。

針對艙門的工況要求，計(jì)算了全部5種工況，各工況均滿足強(qiáng)度及剛度要求，艙門建立的有限元模型質(zhì)量為55 kg，估算艙門實(shí)際制造質(zhì)量時(shí)乘以比例系數(shù)1.4，最終估算的艙門質(zhì)量為77 kg，滿足不大于80 kg的質(zhì)量條件。

計(jì)算結(jié)果選取了艙門所有工況中最嚴(yán)重的工況1中的最大變形量“Max”、最大主應(yīng)變“Max”和最大主應(yīng)力“Max”對艙門的強(qiáng)度進(jìn)行校核，并計(jì)算了艙門的穩(wěn)定性特征值。

其中艙門最大變形量Max＝14.1 mm，在工況1中發(fā)生，滿足最大變形條件艙門自由邊中心處變形不大于18 mm。艙門最大變形云圖如圖2所示。

圖2 艙門最大變形云圖

最大主應(yīng)變出現(xiàn)在外側(cè)金屬梁附近的外蒙皮上，最大值為Max＝1 410 με。艙門最大主應(yīng)變云圖如圖3所示。

最大應(yīng)力出現(xiàn)在艙門外蒙皮的鉸鏈接頭處和兩端金屬梁附近的外蒙皮上，最大值為Max＝171 MPa。艙門最大主應(yīng)力云圖如圖4所示。

穩(wěn)定性特征值計(jì)算結(jié)果為1.82，該艙門結(jié)構(gòu)在1.8倍使用載荷下不會失穩(wěn)，穩(wěn)定性安全裕度為0.82，大于0，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。艙門穩(wěn)定性云圖如圖5所示。

圖3 艙門最大主應(yīng)變云圖

圖4 艙門最大主應(yīng)力云圖

圖5 艙門穩(wěn)定性云圖

材料失效準(zhǔn)則采用最大剪切應(yīng)變來進(jìn)行校核，該材料的剪切應(yīng)變“XY”許用值取4 500 με，各工況中的最大工程剪應(yīng)變出現(xiàn)在工況1中，XY=2 160 με，艙門的最小安全裕度：=1/（2 160/4 500）－1=1.083，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)構(gòu)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

結(jié)構(gòu)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

零件名稱質(zhì)量/kg 外蒙皮22 內(nèi)蒙皮17 橫向梁（7根）4 縱向梁（3根）6 縱向邊梁5.5 橫向邊梁3 金屬梁6 鉸鏈接頭2 角盒6 緊固件4 漆膠輔料3 總計(jì)78.5

4 結(jié)論

本文對該型號的飛機(jī)艙門碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)與設(shè)計(jì)，在保證其剛強(qiáng)度條件的情況下達(dá)到艙門的減重指標(biāo)要求，艙門理論質(zhì)量為78.5 kg，小于80 kg。

碳纖維復(fù)合材料在替代金屬材料進(jìn)行等強(qiáng)度或等剛度設(shè)計(jì)中，由于其各向異性的特點(diǎn)及鋪層的可控制性具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，并且復(fù)合材料比金屬的質(zhì)量輕，耐腐蝕，抗疲勞損傷能力強(qiáng)[4]，所以碳纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)件的減重任務(wù)中將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

［1］中國航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2001.

［2］丁梅.某機(jī)型垂直尾翼防腐蝕設(shè)計(jì)研究［J］.科學(xué)與信息化，2019（625）：131.

［3］丁梅.某型飛機(jī)復(fù)合材料方向舵設(shè)計(jì)技術(shù)研究［J］.中國科學(xué)探險(xiǎn)，2019（7）：3.

［4］牛春勻，程小全.實(shí)用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2010.

2095－6835（2020）10－0022－03

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.10.008

陳堯渠（1992—），男，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研發(fā)崗，主要從事復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕