張成

摘 要：該文介紹了斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，包括這種結(jié)構(gòu)的誕生、特點和發(fā)展歷史?；仡櫫嗣裼蔑w機機身典型的結(jié)構(gòu)形式，對剛架結(jié)構(gòu)、硬殼式結(jié)構(gòu)、半硬殼式機身結(jié)構(gòu)形式作了簡要介紹和分析。論述了斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在航天和航空領(lǐng)域的應(yīng)用情況，以及目前國際上運用復(fù)合材料斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)所取得的進展。將復(fù)合材料斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了對比分析，給出了復(fù)合材料斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)所具有的潛在結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。最后在對比分析的基礎(chǔ)上，對這種結(jié)構(gòu)在復(fù)合材料機身上的應(yīng)用前景進行了探討。

關(guān)鍵詞：機身 結(jié)構(gòu)形式 斜交網(wǎng)格 復(fù)合材料

中圖分類號：TB33 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（b）-0009-02

在建筑業(yè)，金屬鋼架結(jié)構(gòu)在19世紀末20世紀初大量涌現(xiàn)，如法國埃菲爾鐵塔，俄國舒霍夫塔等。在這些建筑結(jié)構(gòu)中，舒霍夫塔結(jié)構(gòu)這種與眾不同的雙曲結(jié)構(gòu)形式，不但在建筑領(lǐng)域廣泛采用，還進入了航天和航空領(lǐng)域并大放異彩。并且隨著歷史的發(fā)展，某些早期結(jié)構(gòu)在飛機上不再流行時，雙曲結(jié)構(gòu)卻隨著復(fù)合材料的應(yīng)用，而表現(xiàn)出了一定的結(jié)構(gòu)生命力。

1 斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的誕生

1896年在全俄羅斯展覽會水塔建造時，弗拉基米爾·舒霍夫采用了一種斜交雙曲網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的力學穩(wěn)定性非常好，雖然是雙曲結(jié)構(gòu)但由于是直母線旋繞構(gòu)成，可以采用直梁建造。這種結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于水塔、冷卻塔、燈塔等建筑，采用這種斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的雙曲塔建筑被俄羅斯人稱為舒霍夫塔[1]。

2 常見機身結(jié)構(gòu)

早期飛機結(jié)構(gòu)主要有剛架結(jié)構(gòu)和硬殼式結(jié)構(gòu)，剛架結(jié)構(gòu)如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)由端頭互相連接的桿系構(gòu)成三角形單元構(gòu)成，外力作用于結(jié)構(gòu)后，桿元只承受拉壓載荷。這種結(jié)構(gòu)在橋梁的運用上非常廣泛。早期的飛機機身結(jié)構(gòu)曾經(jīng)大量采用這種結(jié)構(gòu)形式，以剛架結(jié)構(gòu)包覆蒙布?，F(xiàn)代的很多輕型飛機機身仍在采用，某些飛機為了具有更好的空氣動力學性能或美學流線性而附加使用了長桁結(jié)構(gòu)。另一種早期飛機的結(jié)構(gòu)是硬殼式結(jié)構(gòu)，如圖3所示，硬殼式結(jié)構(gòu)類似于雞蛋，載荷主要由外部蒙皮承擔，這樣的蒙皮稱為結(jié)構(gòu)性蒙皮。這種技術(shù)也被稱為一體成型技術(shù)，在賽車上廣泛應(yīng)用，在飛機上主要應(yīng)用在預(yù)裝配運動型飛機和滑翔機上，如圖3所示。初期飛機機身應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)是使用層合板，后期使用玻纖復(fù)合材料。這種結(jié)構(gòu)是剛性骨架結(jié)構(gòu)的另一個極端，主承載元件由剛架轉(zhuǎn)移到了蒙皮。

目前廣泛采用的飛機機身結(jié)構(gòu)是半硬殼式結(jié)構(gòu)，如圖4所示，這種結(jié)構(gòu)也稱為應(yīng)力蒙皮結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由鋁合金橫向結(jié)構(gòu)框和縱向結(jié)構(gòu)長桁構(gòu)成骨架，外部鉚接鋁合金蒙皮，形成“蒙皮-長桁-框”結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)中蒙皮主要承受拉伸和剪切載荷，其它載荷由骨架承擔。這種半硬殼式結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)與鋁合金在飛機結(jié)構(gòu)上的大量應(yīng)用，以及增壓機身的需求都有關(guān)系。

3 斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)機身結(jié)構(gòu)

二戰(zhàn)前期英國人Barnes Wallis在飛艇上發(fā)展了這種結(jié)構(gòu)，并稱之為“geodetic”結(jié)構(gòu)，它的數(shù)學描述是曲面上的最短距離路徑，其后續(xù)雇主公司Vickers-Armstrongs將其用在一系列的轟炸機上，如Wellesley，Wellington， Warwick， Windsor等，如圖5所示，這些飛機在二戰(zhàn)中成了主力機型。由于這種飛機結(jié)構(gòu)的強度表現(xiàn)優(yōu)異，與前述的剛架結(jié)構(gòu)早期飛機不同，可以不再依賴內(nèi)部支持結(jié)構(gòu)，從而使內(nèi)部空間得到更有效利用，并且比硬殼式層合板結(jié)構(gòu)要輕。在與雙翼機的對比試驗中，發(fā)現(xiàn)單翼的強度足以滿足要求，從此雙翼設(shè)計不再成為主流。后來，由于航空領(lǐng)域高空高速和增壓機身的需求，以及加工難度較大，該結(jié)構(gòu)被放棄。

在航天領(lǐng)域，從斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在俄羅斯誕生之日起，俄羅斯就做了大量研究和運用，如運載火箭、導(dǎo)彈等等。俄羅斯特種機器中央研究院目前已經(jīng)開發(fā)出了直徑4 m，長度8 m，承軸壓600 kN/m的桶狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如圖6所示。這種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)國內(nèi)稱為格柵結(jié)構(gòu)[2]。

在民航領(lǐng)域，俄羅斯特種機器中央研究院采用斜交網(wǎng)格和蒙皮用碳纖維絲素纏繞一次成型技術(shù)開發(fā)了復(fù)合材料機身，如圖7所示。這種結(jié)構(gòu)突破了傳統(tǒng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)如層合板的諸多力學弱點和限制，如準各向同性層合板在試驗中表現(xiàn)出的拉伸強度受樹脂限制（圖8），實用擠壓強度低（圖9），沖擊后承壓能力下降等現(xiàn)象[3]。雖然復(fù)合材料斜交網(wǎng)格機身應(yīng)用目前仍處于試驗階段，但已經(jīng)表現(xiàn)出相當?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢。

4 與蒙皮-長桁-框結(jié)構(gòu)比較

當前主流的民機機身結(jié)構(gòu)還是“蒙皮-長桁-框”結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式充分發(fā)揮了金屬材料的優(yōu)勢，這種結(jié)構(gòu)也被稱為半硬殼式結(jié)構(gòu)。在目前復(fù)合材料機身的設(shè)計上，基本上仍是延用“蒙皮-長桁-框”結(jié)構(gòu)形式。在這種結(jié)構(gòu)形式下，復(fù)合材料不能完全發(fā)揮出材料優(yōu)勢，此時復(fù)合材料也被稱為“黑金屬”。[4] 而其筆者經(jīng)歷的某型飛機在翼身整流罩運用復(fù)合材料層合板時，還發(fā)現(xiàn)為了滿足剛度和耐沖擊要求需要增加鋪層厚度而無法實現(xiàn)預(yù)期減重目標的情況，最后決定采用蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)。

和蒙皮-長桁-框結(jié)構(gòu)不同，復(fù)合材料斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是以斜交網(wǎng)格而非蒙皮作為主承載結(jié)構(gòu)，蒙皮損傷不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。雖然現(xiàn)在還不能說應(yīng)用復(fù)合材料斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)一定優(yōu)于“蒙皮-長桁-框”結(jié)構(gòu)形式，但從新材料應(yīng)使用新結(jié)構(gòu)形式角度來講，這是一種積極探索。

5 結(jié)論

斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)誕生在建筑領(lǐng)域，但由于優(yōu)異的結(jié)構(gòu)效率而進入航天航空領(lǐng)域。雖然各國對其均有一定研究和應(yīng)用，但俄羅斯在斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用最為成功，因而這種結(jié)構(gòu)也被俄羅斯國外稱為“俄羅斯各向異性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)”。雖然目前在民航飛機機身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用還有待進一步的驗證，但隨著研究的深入和復(fù)合材料技術(shù)的進步，這種結(jié)構(gòu)在民航領(lǐng)域可能再度表現(xiàn)出較高的應(yīng)用價值和前景，我們在做復(fù)合材料機身結(jié)構(gòu)研究時應(yīng)對其開展進一步研究，而不要局限于“蒙皮-長桁-框”結(jié)構(gòu)形式。

參考文獻

[1] wikipedia [EO/OB] http：//en.wikipedia.org/wiki/Vladimir_Shukhov，2014-08-03.

[2] 楊乃賓，章怡寧.復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002：130.

[3] V.V.Vasiliev，A.F.Razin，development of geodesic composite aircraft structures [C].ICAS 2012.

[4] A.Shanygin， V.Fomin， designing pro-composite aircraft concepts and layouts to maximize potential benefits of high specific strength of CFRP [C].ICAS 2012.endprint