秦 杰,高 偉,陳林霜,張海軍

(1.航空工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院 總體氣動設(shè)計研究所,西安 710089;2.中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司 財務(wù)管理部,西安 710089)

隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗的積累、制造工藝水平的發(fā)展及生產(chǎn)成本的降低等, 復(fù)合材料應(yīng)用已經(jīng)從整流罩、前后緣、擾流板等機體次承力結(jié)構(gòu),到機翼級等機體主承力結(jié)構(gòu)[1]。復(fù)合材料機翼較金屬機翼可以充分發(fā)揮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)輕質(zhì)、高效的優(yōu)點,但是也需解決對接分離面處復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)承受面外附加彎曲載荷的技術(shù)難題[2-3]。早期大型客機機翼根部對接一般采用設(shè)計分離面以滿足裝配、運輸、更換等要求,但是設(shè)計分離面帶來了結(jié)構(gòu)重量增加、結(jié)構(gòu)和剛度不連續(xù)、應(yīng)力集中嚴(yán)重、疲勞強度降低等眾多不利因素;80年代以后發(fā)展的大型客機機翼根部一般采用工藝分離面設(shè)計,通過分散對接結(jié)構(gòu)形式以提高機身內(nèi)部空間利用率、減輕結(jié)構(gòu)重量,但是此種結(jié)構(gòu)形式機翼加筋壁板將承受翼面70%以上彎矩所轉(zhuǎn)化的拉伸、壓縮載荷,且加筋壁板從等直段到對接分離面處中心線變化較大,最終導(dǎo)致加筋壁板根部形成較大的附加彎曲載荷[4]。當(dāng)前先進客機A350飛機和B787飛機機翼根部分離面均采用工藝分離面設(shè)計,且加筋壁板均采用復(fù)合材料層壓加筋結(jié)構(gòu),國內(nèi)在此處細(xì)節(jié)設(shè)計尚沒有工程應(yīng)用經(jīng)驗,因此有必要借鑒國外先進客機大尺寸復(fù)合材料加筋壁板根部對接細(xì)節(jié)設(shè)計經(jīng)驗,獲取滿足國內(nèi)研制需求的對接分離面正確設(shè)計思想。

1 加筋壁板根部對接

客機機翼加筋壁板主要承受彎矩轉(zhuǎn)化的軸向拉伸、壓縮載荷,因此加筋壁板根部對接主要考慮軸向載荷的傳遞和剛度突變產(chǎn)生附加彎曲載荷的平衡。

金屬機翼上壁板主要承受壓縮載荷,對接分離面處一般采用“土”字型結(jié)構(gòu)對接,金屬機翼上壁板“土”字型對接結(jié)構(gòu)如圖1所示。壁板蒙皮外表面與“土”字型結(jié)構(gòu)下緣條貼合,通過緊固件機械連接形成單剪結(jié)構(gòu);長桁上緣條與“土”字型結(jié)構(gòu)上緣條貼合,通過緊固件機械連接也形成單剪結(jié)構(gòu);壁板和“土”字型結(jié)構(gòu)通過兩個單剪對接結(jié)構(gòu)形成整體雙剪結(jié)構(gòu),有效傳遞壁板的軸向壓縮載荷。此種結(jié)構(gòu)形式根部剛度大,能一定程度降低附加彎曲的不利因素影響;同時根部支持系數(shù)較大,可以有效提高上壁板臨界屈曲載荷。但是此種結(jié)構(gòu)形式工藝復(fù)雜、協(xié)調(diào)界面多、裝配協(xié)調(diào)加墊工作量大,處理不當(dāng)容易產(chǎn)生裝配應(yīng)力,或變形協(xié)調(diào)時產(chǎn)生較大的附加內(nèi)應(yīng)力。

金屬機翼下壁板主要承受拉伸載荷,對接分離面處一般采用“丄”字型結(jié)構(gòu)對接。壁板蒙皮內(nèi)表面與“丄”字型結(jié)構(gòu)緣條貼合、外表面與對接帶板貼合,最終通過緊固件機械連接成雙剪結(jié)構(gòu);長桁遇到“丄”字型結(jié)構(gòu)自然截止,通過長桁接頭與“丄”字型結(jié)構(gòu)腹板進行連接,長桁緣條斜削過渡,金屬機翼下壁板“丄”字型對接結(jié)構(gòu)如圖2所示。此種結(jié)構(gòu)形式載荷傳遞不如“土”字型結(jié)構(gòu)直接,但是工藝簡單,所以一般應(yīng)用于金屬機翼下壁板。

圖2 金屬機翼下壁板“丄”字型對接結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料機翼根部載荷傳遞路線與金屬機翼類似,但是細(xì)節(jié)又存在不同,主要體現(xiàn)在分離面處剛度突變產(chǎn)生的面外附加載荷對復(fù)合材料層間剝離的影響、復(fù)合材料制件的變形控制及裝配間隙補償?shù)挠绊懞蛷?fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬對接結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力的影響。傳統(tǒng)金屬翼面“土”字型對接結(jié)構(gòu)和“丄”字型對接結(jié)構(gòu)是否適用復(fù)合材料機翼根部對接需詳細(xì)的工程應(yīng)用理論分析和試驗驗證。

1.1 A350飛機機翼加筋壁板對接

A350飛機機翼壁板采用復(fù)合材料層壓加筋結(jié)構(gòu),較空客其他系列飛機翼面材料體系(金屬翼面壁板)不同,但是壁板根部對接結(jié)構(gòu)繼承了空客其他系列飛機典型的“丄”字型對接結(jié)構(gòu)思想[5-7]。A350飛機機翼壁板根部對接示意圖如圖3所示。

圖3 A350飛機機翼壁板根部對接示意圖

外翼上壁板與中央翼上壁板之間通過“丄”字型結(jié)構(gòu)、長桁對接結(jié)構(gòu)進行載荷搜集、傳遞?！皝A”字型結(jié)構(gòu)位于上壁板外表面,緣條與上壁板通過四排緊固件機械連接成整體;長桁對接結(jié)構(gòu)位于上壁板內(nèi)表面,結(jié)構(gòu)形式為三面角盒式結(jié)構(gòu),一面與上壁板長桁緣條、“丄”字型結(jié)構(gòu)緣條共用三排緊固件機械連接形成雙剪結(jié)構(gòu),一面與“丄”字型結(jié)構(gòu)腹板通過機械連接成整體,一面是為降低上壁板剛度突變設(shè)計的加強筋條。

復(fù)合材料機翼較金屬機翼上壁板根部對接結(jié)構(gòu)形式主要區(qū)別在于長桁末端細(xì)節(jié)處理方式不同。為有效提高長桁對壁板的支持系數(shù)和降低剛度突變對層壓結(jié)構(gòu)附加彎曲的影響,復(fù)合材料機翼上壁板長桁一直延伸至壁板根部,且末端斜削特定角度;為降低長桁制造難度,長桁對接接頭更改為與長桁下緣條連接、“丄”字型結(jié)構(gòu)緣條由壁板內(nèi)表面貼合更改至外表面貼合,最終長桁對接接頭和“丄”字型結(jié)構(gòu)對壁板形成雙剪結(jié)構(gòu)。

外翼下壁板與中央翼下壁板之間通過“丄”字型結(jié)構(gòu)、對接帶板結(jié)構(gòu)進行載荷搜集、傳遞。對接帶板結(jié)構(gòu)位于下壁板外表面,與下壁板通過四排緊固件機械連接成整體?！皝A”字型結(jié)構(gòu)位于下壁板內(nèi)表面,與下壁板長桁緣條、對接帶板結(jié)構(gòu)共用三排緊固件機械連接成整體。下壁板長桁腹板插入“丄”字型結(jié)構(gòu)部分緣條,截止于第二排和第三排緊固件之間,且末端斜削特定角度。

復(fù)合材料機翼下壁板根部對接設(shè)計主要特點:長桁腹板截止于“丄”字型結(jié)構(gòu)緣條第二排和第三排緊固件之間,將長桁腹板的載荷提前過渡到長桁下緣條,確保長桁腹板的載荷提前傳遞給分離面處對接結(jié)構(gòu),適當(dāng)降低根部附加彎曲載荷;長桁腹板斜削角θ對此處的附加彎曲影響較大,受拉伸載荷為主的復(fù)合材料加筋壁板長桁腹板斜削角θ取值范圍15°≤θ≤25°;外翼下壁板剛心線和中央翼下壁板剛心線交點要落在分離面翼肋平面上,剛度突變產(chǎn)生的附加彎曲盡量通過對接翼肋平衡。

1.2 B787飛機機翼加筋壁板對接

B787飛機機翼壁板與A350飛機機翼壁板主要區(qū)別在于設(shè)計成“工”字型加筋結(jié)構(gòu),所以其機翼壁板載荷的傳遞設(shè)計有兩條傳力路徑,即加筋壁板的載荷一部分通過蒙皮傳遞給對接結(jié)構(gòu),另一部分通過長桁上緣條傳遞給對接結(jié)構(gòu)?？紤]復(fù)合材料制件公差大和層間界面較弱的特點,B787飛機機翼壁板根部對接結(jié)構(gòu)形式繼承了波音系列飛機典型的“土”字型對接結(jié)構(gòu)思想,但是其具體對接結(jié)構(gòu)形式與金屬翼面 “土”字型對接結(jié)構(gòu)不完全相同[8-12]。B787飛機機翼壁板根部對接示意圖如圖4所示。

圖4 B787飛機機翼壁板根部對接示意圖

上壁板為長桁,增加對蒙皮的支持系數(shù)、降低剛度突變附加彎曲的影響,將長桁延伸至壁板根部,“土”字型對接結(jié)構(gòu)下緣條只能布置于上壁板外表面;考慮制件的公差、補償墊片對壓縮載荷產(chǎn)生附加彎曲的影響,“土”字型對接結(jié)構(gòu)上緣條改成對接角盒的組合結(jié)構(gòu),通過對接角盒將上壁板長桁上緣條與“土”字型對接結(jié)構(gòu)連接成整體。

下壁板采用了“土”字型整體對接結(jié)構(gòu),因復(fù)合材料制件公差較大,并未采取金屬壁板“土”字型套合結(jié)構(gòu)形式對接,而是將“土”字型對接結(jié)構(gòu)下緣條與下壁板蒙皮內(nèi)表面貼合、上緣條與長桁上緣條貼合(貼后面設(shè)計有補償墊片),通過機械連接成整體,同時考慮長桁提前截止、壁板蒙皮局部附加彎曲載荷,在壁板外表面設(shè)計對接帶板,從而壁板蒙皮對接處形成雙剪結(jié)構(gòu)。因下壁板長桁提前截止,長桁下緣條末端通過四套緊固件將長桁下緣條和蒙皮連接成整體,長桁末端設(shè)計成魚嘴形結(jié)構(gòu)形式。

2 加筋壁板根部對接驗證

復(fù)合材料加筋壁板根部設(shè)計主要是受軸向載荷的傳遞和根部附加彎曲載荷對復(fù)合材料層間的影響。因根部結(jié)構(gòu)厚度尺寸較大、受壓屈曲不是主要考慮因素,拉伸載荷或壓縮載荷均因剛度突變會對根部產(chǎn)生附加彎曲載荷,且最終轉(zhuǎn)化成加筋壁板的面外剝離載荷,所以主要考慮基于拉伸載荷工況的加筋壁板根部對接載荷的傳遞(下壁板長桁提前截止,其附加彎曲載荷較上壁板嚴(yán)酷)。

2.1 “丄”字型對接結(jié)構(gòu)驗證

加筋壁板材料選用180 °C固化碳纖維環(huán)氧單向帶復(fù)合材料,對接結(jié)構(gòu)材料選用鋁鋰合金金屬材料。由于長桁軸線布置原因,緊固件沿長桁腹板兩側(cè)非對稱布置,一側(cè)布置一列四排緊固件,另一側(cè)布置兩列四排緊固件。“丄”字型對接結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 “丄”字型對接結(jié)構(gòu)示意圖

采用MSC Patran軟件建立對接結(jié)構(gòu)有限元模型。壁板蒙皮和長桁采用QUAD4殼單元模擬,緊固件由CWELD單元模擬,模型從對接肋平面一側(cè)截斷,截面處施加對稱約束,壁板自由端沿長桁軸線施加1 mm位移載荷?！皝A”字型對接結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 “丄”字型對接結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

對加筋壁板對接結(jié)構(gòu)進行試驗驗證,“丄”字型對接結(jié)構(gòu)失效模式如圖7所示。

圖7 “丄”字型對接結(jié)構(gòu)失效模式

A350飛機機翼加筋壁板對接方式為典型的雙剪連接,可以有效降低偏心彎矩載荷,但長桁末端剛度突變產(chǎn)生的面外附加剝離載荷仍然是加筋壁板主要失效載荷,且由于復(fù)合材料各向異性,釘載分配嚴(yán)重不均勻。加筋壁板失效是位于長桁末端面外剝離失效和第一排緊固件擠壓拉斷失效。通過對緊固件載荷進行分析,翼肋對接緣條傳遞總載荷的60%,對接帶板傳遞總載荷的40%。

2.2 “土”字型對接結(jié)構(gòu)驗證

B787飛機機翼加筋壁板材料選用與A350飛機機翼類似,均采用180 °C固化碳纖維環(huán)氧單向帶復(fù)合材料,但是對接結(jié)構(gòu)材料選用了與復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)差異不大的鈦合金金屬材料。由于對接結(jié)構(gòu)采用雙傳力路線,且工藝限制,所以加筋壁板蒙皮、長桁上緣條均通過兩排兩列緊固件與對接結(jié)構(gòu)連接?！巴痢弊中蛯咏Y(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8 “土”字型對接結(jié)構(gòu)示意圖

按2.1節(jié)所述結(jié)構(gòu)模型簡化方法構(gòu)建有限元計算模型,“土”字型對接結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 “土”字型對接結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

對加筋壁板對接結(jié)構(gòu)進行試驗驗證,“土”字型對接結(jié)構(gòu)失效模式如圖10所示。

圖10 “土”字型對接結(jié)構(gòu)失效模式

加筋壁板失效是位于長桁末端面斜削外剝離失效和第一排緊固件擠壓拉斷失效。通過對緊固件載荷進行分析,長桁上緣條對接處傳遞總載荷的35%,壁板蒙皮對接帶板傳遞總載荷的65%。

3 對接方案討論

復(fù)合材料機翼加筋壁板根部對接需考慮以下幾點:

(1)長桁軸線布置。大尺寸復(fù)合材料加筋壁板根部對接載荷較大,長桁軸線布置需考慮根部對接緊固件列數(shù)的排布,盡量將緊固件對稱布置于長桁腹板平面兩側(cè)。若緊固件不能對稱布置于長桁腹板平面兩側(cè),需仔細(xì)評估靠近長桁腹板列緊固件與靠近長桁側(cè)邊列緊固件載荷的差異,確保靠近長桁腹板列緊固件孔不發(fā)生擠壓破壞。

(2)對接結(jié)構(gòu)材料選擇。不同對接結(jié)構(gòu)形式的對接結(jié)構(gòu)材料選用不同?！皝A”字型對接結(jié)構(gòu)工藝簡單,裝配過程中工藝補償墊片較少,所以對接結(jié)構(gòu)材料可以采用抗疲勞裂紋擴展性、斷裂韌性和耐腐蝕性能更好的鋁鋰合金;“土”字型對接結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜,裝配過程中工藝需補償墊片較多,且可能存在局部厚墊片,所以對接結(jié)構(gòu)材料采用與復(fù)合材料加筋壁板相容性較好的鈦合金材料。

(3)工藝性。單根長桁加筋壁板對接試驗件裝配過程中,“土”字型對接結(jié)構(gòu)裝配難度較“丄”字型對接結(jié)構(gòu)大,且承載能力試驗中先于“丄”字型對接結(jié)構(gòu)破壞。若采用“土”字型對接結(jié)構(gòu)設(shè)計需對加筋壁板變形進行嚴(yán)格控制和對工藝補償墊片仔細(xì)考量。

(4)熱應(yīng)力影響。分離面處是對接涉及金屬結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的混雜連接。翼面根部弦向尺寸較大,所以此處熱膨脹載荷的影響不容忽視。B787飛機根部對接結(jié)構(gòu)采用了與復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)差異不大的鈦合金材料,受鈦合金成形工藝、裝配風(fēng)險等因素影響,機翼根部單側(cè)對接結(jié)構(gòu)僅布置兩排緊固件;A350飛機根部對接結(jié)構(gòu)采用了鋁鋰合金,鋁鋰合金成形工藝較鈦合金簡單,可以充分發(fā)揮翼展方向結(jié)構(gòu)布置空間,但是其與復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)差異較大,需考慮溫度載荷的附加影響。

(5)復(fù)合材料加筋壁板承受面外載荷能力較弱,根部細(xì)節(jié)設(shè)計時需注意長桁末端斜削角設(shè)計和長桁腹板載荷傳遞設(shè)計,進而有效的降低剛度突變和變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生的加筋壁板面外剝離載荷。

(6)復(fù)合材料加筋壁板根部對接區(qū)域混雜結(jié)構(gòu)緊固件可靠性設(shè)計。加筋壁板根部對接區(qū)域是大載荷、大壁厚、混雜多層、大直徑緊固件連接的對接區(qū)域。緊固件間隙配合會降低金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命、增加釘載不均勻系數(shù)等系列問題;干涉配合連接可能帶來復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)分層的技術(shù)風(fēng)險,所以此處的連接設(shè)計需要進行工藝驗證試驗考核。

國內(nèi)僅在預(yù)研課題中對復(fù)合材料機翼根部對接結(jié)構(gòu)形式進行了研究,考慮國內(nèi)復(fù)合材料制件工藝水平、裝配精度和產(chǎn)品安全等因素,該文采用了“丄”字型對接、周向膨脹緊固件連接結(jié)構(gòu),且最終通過2.5 g過載靜力試驗考核。

4 結(jié)論

大尺寸復(fù)合材料加筋壁板根部對接分離面設(shè)計是機體復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個技術(shù)難點,文中對先進客機A350飛機和B787飛機機翼復(fù)合材料加筋壁板根部對接細(xì)節(jié)設(shè)計進行了詳細(xì)的闡述,且結(jié)合現(xiàn)有工程研制經(jīng)驗進行了補充說明,其研究成果可為大尺寸復(fù)合材料加筋壁板根部對接設(shè)計提供借鑒和參考。