劉杰，孔令軍，黎小寶

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

某型飛機復材翼盒結(jié)構(gòu)設計

劉杰，孔令軍，黎小寶

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

針對某型機機翼開展復合材料結(jié)構(gòu)設計，在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)形式、材料體系、密封形式、工藝方案等方面進行綜合論述，驗證主承力結(jié)構(gòu)復材整體化設計及制造的可行性，可為主承力復材結(jié)構(gòu)的工程化應用提供參考。

復合材料；機翼翼盒；整體化；結(jié)構(gòu)設計

0 引言

以某型機機翼為對象，對金屬結(jié)構(gòu)改復材結(jié)構(gòu)進行研究。

為綜合利用現(xiàn)有型號工裝、型架、試驗設備，降低研究成本，復材翼盒整體化結(jié)構(gòu)方案應保證原金屬結(jié)構(gòu)機翼機身對接交點、三個掛梁交點、內(nèi)外前襟、后襟翼、副翼的支臂交點位置及連接形式不變，以及前襟作動器、后襟翼旋轉(zhuǎn)作動器、副翼舵機的安裝位置及連接形式不變，為此，開展了復材翼盒整體化結(jié)構(gòu)方案設計工作。

1 結(jié)構(gòu)方案

1.1 技術(shù)要求

1）相比較現(xiàn)有金屬結(jié)構(gòu)重量降低10%—15%；

2）滿足某型教練機最嚴重載荷情況下的靜強度要求。

1.2 翼盒結(jié)構(gòu)方案

機翼翼盒的結(jié)構(gòu)形式主要有梁式、單塊式和多墻式。梁式結(jié)構(gòu)蒙皮很薄，一般在翼面高度較大處布置梁作為傳遞總體彎矩的構(gòu)件，多用于翼面結(jié)構(gòu)高度較大的低速飛機。單塊式結(jié)構(gòu)蒙皮較厚，與長桁、梁緣條組成可受軸力的壁板承受總體彎矩；縱向長桁布置較密，長桁截面積接近或略小于梁緣條；梁與壁板形成封閉的盒段增強翼面結(jié)構(gòu)的抗扭剛度；為充分發(fā)揮單塊式結(jié)構(gòu)受力特性，左右機翼最好連成整體貫穿機身。多墻式結(jié)構(gòu)布置較多的縱墻，蒙皮較厚，肋相對較少，根據(jù)受集中力的需要布置加強肋。

1）金屬翼盒結(jié)構(gòu)方案

金屬翼盒縱向布置5根梁，橫向布置11根翼肋、4塊上下整體壁板及口蓋。機翼盒段懸掛有3個外掛，分別布置在內(nèi)段5肋、外段9肋及翼尖(翼尖導發(fā)架)處。千斤頂支座布置在7肋～8肋之間靠近5梁的位置。前緣襟翼操縱作動筒分別固定在3肋～4肋和7肋～8肋的1梁～2梁之間。副翼舵機固定在6肋～8肋的3梁～4梁之間。機翼前緣布置有兩組前緣襟翼操縱作動筒，7組懸掛鉸鏈接頭。后襟艙布置有兩個襟翼懸掛支臂。副翼艙布置有三個副翼懸掛支臂。金屬翼盒結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 金屬結(jié)構(gòu)方案

2）復材翼盒結(jié)構(gòu)方案

復材翼盒可將梁與下壁板共固化組成下壁板組件，減少梁與下壁板的連接工作量。此外，相對于金屬結(jié)構(gòu)的11個肋，橫向連接過多，下壁板組件作為一個梁與壁板的整體件，也影響了肋的安裝通路。因此，復合材料翼盒選擇多墻式結(jié)構(gòu)是一個較好的選擇。從國內(nèi)外的經(jīng)驗來看，機翼采用復合材料時，很多飛機就選用了多墻式結(jié)構(gòu)，如JAS39、Rafale、EF2000等。

翼盒采用多墻式結(jié)構(gòu)時，可由公式n=1.12×B/h確定墻的數(shù)量（n）為7。根據(jù)多墻式結(jié)構(gòu)的受力特點，肋的數(shù)量應盡量減少?，F(xiàn)階段結(jié)合翼盒的交點位置，復材翼盒方案保留7個完整的肋。另外，下壁板與復材墻、加強筋共固化成下壁板組件；上壁板為復合材料加筋壁板；翼身對接接頭、掛梁肋、舵機安裝接頭支座等高應力區(qū)接頭仍采用金屬件。下壁板組件、上壁板、金屬梁和加強肋采用機械連接方式形成機翼翼盒。詳見圖2。

2 翼盒結(jié)構(gòu)設計

復材翼盒縱向布置有7根墻，其中的2墻、3墻外段、4墻、5墻、6墻為復合材料件，1墻、3墻內(nèi)段、7墻為金屬件；橫向在原1肋、3肋、5肋、6肋、8肋、9肋、11肋處布置了全肋，在其他有交點要求的地方布置了短肋，所有的肋均為金屬件；上壁板為復合材料加筋壁板，下壁板和墻、加強筋整體共固化組成復合材料下壁板組件，詳見圖2。下壁板組件、上壁板、金屬梁和加強肋采用機械連接方式形成機翼翼盒。

2.1 整體油箱

復材翼盒整體油箱由3墻、7墻、1肋和5肋以及上、下壁板圍成，詳見圖3。這些構(gòu)件既是機翼受力構(gòu)件、又是油箱的周壁。油箱內(nèi)部有3肋以及4、5、6墻。整體油箱區(qū)長1150mm，寬850mm。

油箱廣泛采用HM109密封膠作為密封材料。鉚接密封形式主要有2種：進口緊固件（BG系列單面連接螺栓、MBF系列大底角螺紋抽芯螺栓）需粘膠連接，鉚釘頭不再作處理，如圖4；普通鉚釘需粘膠連接，并在鉚釘頭涂膠密封，如圖5。螺栓密封形式見圖6。

油箱外圍的1肋、內(nèi)側(cè)3墻、5肋、7墻與上下壁板的連接處均需涂HM109密封膠，下翼面采用縫內(nèi)、縫外膠密封，上翼面采用縫內(nèi)膠密封，肋和梁連接處采用縫內(nèi)、縫外膠密封，密封形式見圖7。

圖2 復材結(jié)構(gòu)方案

圖4 進口緊固件粘膠連接

圖5 普通鉚釘涂膠密封

翼盒防靜電措施為，在壁板內(nèi)表面涂一層H06-1030防靜電漆，外表面鋪設一層42-CU84A銅網(wǎng)。

2.2 上壁板組件

圖6 螺栓連接涂膠密封

上壁板采用單向帶層壓結(jié)構(gòu)、變厚度層合板，壁板厚度按載荷情況設計為階梯變化厚度。為增加壁板穩(wěn)定性，在上壁板原1～9肋軸線之間增加筋條（在開口處筋條打斷），其結(jié)構(gòu)如圖8所示。上壁板外表面需鋪貼一層銅網(wǎng)，銅網(wǎng)材料為42-CU84A，內(nèi)表面與金屬零件貼合處加一層EW100A玻璃布，采用熱壓罐固化成形工藝，將上壁板與筋條、玻璃布、銅網(wǎng)一起共固化成型。

圖7 油箱四周骨架密封形式

圖8 上壁板組件

上壁板鋪層：壁板根部厚度為9mm，在翼尖處逐漸過渡到2.5mm，見圖9。鋪層由［±45/?/03/45/0/-45/ 02/-45/(0/45)2/90/0/-45/(0/90)3/02/-45/0/45/0］，過渡為［±45/02/45/0/-45/02/90］s

圖9 上壁板厚度分布

T形筋緣條厚度3.75mm、筋條厚度7mm。緣條鋪層為[±45/?45/03/45/0/-45/02/-45/(0/45)2/90/0/-45/(0/ 90)2/02/-45/0/45/0]。筋條鋪層為[±45/?45/03/45/0/-45/ 02/-45/(0/45)2/90/0/-45/(0/90)2/02/90]。

2.3 下壁板組件

下壁板采用單向帶層壓結(jié)構(gòu)、階梯厚度層合板。為增加壁板穩(wěn)定性，在下壁板原1～5肋軸線之間增加筋條（1～3墻之間因為開口筋條僅到原3肋軸線附近），并采用整體化成形工藝將下壁板與各復材墻和筋條一起共固化成下壁板組件，結(jié)構(gòu)如圖10所示。墻軸線允許最大偏移量±0.5mm，墻緣條外形偏差-0.2/+0.1mm，壁厚偏差±8%。同上壁板一樣，其外表面需鋪貼一層42-CU84A銅網(wǎng)，內(nèi)表面與金屬零件貼合處加一層EW100A玻璃布。

下壁板鋪層：壁板根部厚度為9mm，在翼尖處逐漸過渡到2.5mm，見圖11。鋪層由[±45/?45/03/45/02/ ±45/02/(-45/0)2/45/90/0/-45/(0/90)2/-45/02/90]s，過渡為[±45/02/45/0/-45/02/90]s。

圖11 下壁板厚度分布

墻的結(jié)構(gòu)形式如圖12所示，墻緣條和墻腹板按載荷情況設計為階梯變化厚度。在1肋處墻腹板厚度4mm、上緣條厚度3.25mm、下緣條厚度2.75mm，在翼尖處墻腹板2mm、上緣條2mm、下緣條1.75mm。

墻腹板鋪層由[±45/?45/0/78/(0/-45)2/0/452/90/-45/90]s過渡為[±45/?45/0/45/-45/90]s。

上緣條鋪層由[±45/02/45/(0/-45)2/02/45/90]s過渡為[±45/02/±45/0/90]s。

下緣條鋪層[±45/?45/0/45/（0/-45）2/0/45/902/02/-45/02/45/02]過渡為[±45/0/45/90/-45/02/-45/02/45/02]。

圖12 墻

下壁板T形筋與上壁板相同。

上、下壁板選用T300級NY9200GA/HF10A碳纖維單向纖維預浸料，固化后單層厚度為0.125mm。

2.4 金屬墻

復材翼盒縱向件還包括1墻、3墻內(nèi)段和7墻共3個金屬材料件，詳見圖13。其中1墻由1墻內(nèi)段、1墻中段、1墻外段等三段組成，7墻由7墻內(nèi)段、內(nèi)側(cè)7小墻、7墻外段等部分組成。金屬墻選用進口預拉伸板7475-T7351。

2.5 金屬肋

相對于原金屬結(jié)構(gòu)，復材翼盒橫向件僅保留翼身對接接頭、掛梁肋、舵機安裝等高應力區(qū)接頭，這些肋有：1肋、3肋、隔板、5肋、6肋前段、6肋中后段、隔板、8肋前段、8肋中后段、9肋、隔板、11肋以及襟副翼懸掛接頭、支臂等，詳見圖14。這些零部件材料以進口預拉伸板7050-T7451為主，部分選用國產(chǎn)預拉伸板LY12-BCZYu，1肋中后段選用TA15，采用機械加工方式成形，并以機械連接方式將這些零部件與壁板、墻等組合形成機翼翼盒。

圖13 金屬墻

圖14 金屬肋

2.6 口蓋

復合材料層合板壁板開口盡量少，下壁板僅在前后掛梁立軸處開4個供掛梁立軸安裝的圓孔；上壁板開口有：內(nèi)外前襟作動器安裝口蓋、副翼舵機安裝口蓋、翼尖導發(fā)架安裝口蓋以及前后掛梁立軸安裝孔，詳見圖15。

上述開口均為壁板直接開口，在壁板內(nèi)襯墊板的形式形成口框，口框材料為7475-T7351-δ；口蓋均采用復合材料。

2.7 緊固件

本課題純金屬結(jié)構(gòu)連接時采用螺栓或普通鉚釘，與復材相關(guān)的零件裝配時采用美國Monogram公司的Composi-LokR 3復材用平斷口大底角螺紋抽芯螺栓（MBF系列）及Ti-OSIR單面連接螺栓（BG系列）。MBF及BG系列螺栓為單面連接緊固件，相比普通緊固件及普通抽丁，具有以下優(yōu)勢：

1)電位腐蝕：普通緊固件材料（如剛、鋁合金）與碳/環(huán)氧基復合材料接觸有較大的電位差，會產(chǎn)生電位腐蝕。MBF及BG系列采用鈦合金制造，與碳纖維電位接近。

2)安裝損傷：復合材料層間強度低，承受垂直于板面方向的沖擊力，容易產(chǎn)生安裝損傷，引起結(jié)構(gòu)破壞。因此，采用機械連接的復合材料結(jié)構(gòu)，盡量選用螺接。必要時鉚接復合材料結(jié)構(gòu)，盡量采用壓鉚，不宜采用錘鉚，更不宜用大功率鉚槍進行鉚接。MBF及BG系列安裝時獨特的墩頭成型方式極大地減少了安裝損傷。

圖15 口蓋

3)拉脫強度：MBF及BG系列緊固件具有較大的拉緊力，抗拉脫能力較好。

3 計算與分析

3.1 重量計算及分析

經(jīng)計算，復合材料翼盒重量約為154kg，原金屬翼盒重量168kg，相比原金屬結(jié)構(gòu)減重5.6%，未達到減重10%～15%的目標，其原因是由于機翼翼盒有較多的集中力接頭，如翼身對接接頭、內(nèi)外前襟吊掛接頭、內(nèi)外前襟作動器支座、襟翼支臂、副翼支臂、副翼舵機支座、掛梁、翼尖導發(fā)架等，這些集中力接頭均采用了金屬結(jié)構(gòu)。而為了保證這些集中力的傳遞及擴散，設置了較多的肋，為保證裝配工藝性，這些相關(guān)的肋也采用了金屬結(jié)構(gòu)。如果不考慮上述集中力接頭，機翼上下壁板及墻減重12.5%（復材結(jié)構(gòu)上壁板及墻重98kg,金屬結(jié)構(gòu)上下壁板及梁重112kg）。詳細設計時均按T300級碳纖維設計，如改用T800級碳纖維設計，還有進一步的減重空間。

3.2 強度分析

復合材料機翼盒段為多墻式結(jié)構(gòu)。蒙皮厚度較厚，是復合材料機翼盒段的主要受力構(gòu)件，除承受大部分彎矩引起的正應力外，還承受扭矩引起的剪力；翼墻是復合材料機翼盒段的重要受力構(gòu)件，墻腹板主要承受剪應力，墻緣條承受少部分彎矩引起的正應力。在機翼根部，蒙皮與1肋緣條連接，因此，蒙皮承受的正應力在機翼根部通過翼肋傳遞給機翼機身對接接頭再傳遞給機身；金屬墻緣條承受的正應力通過機翼機身對接接頭傳遞給機身，復合材料墻緣條承受的正應力通過機翼根部的蒙皮參與區(qū)再經(jīng)由機翼機身對接接頭傳遞給機身；墻腹板承受的剪力均傳遞給1肋，再經(jīng)由機翼機身對接接頭傳遞給機身。

經(jīng)強度校核，復材翼盒在現(xiàn)有載荷條件及結(jié)構(gòu)方案下，滿足靜強度設計要求。翼盒主要復材構(gòu)件的最小安全余量及穩(wěn)定性系數(shù)具體如表1所示。

表1 復材翼盒最小安全余量及穩(wěn)定性系數(shù)匯總

續(xù)表1

3 結(jié)語

經(jīng)設計評審，在保證原金屬翼盒交點位置不變的情況下，復材翼盒結(jié)構(gòu)方案布局合理，傳力直接，滿足靜強度設計要求。相對于原金屬翼盒方案，在采用T800級碳纖維設計情況下，復材翼盒可以達到減重10%指標要求。結(jié)合工藝試驗件研制情況，經(jīng)工藝評審，復材翼盒結(jié)構(gòu)方案工藝性良好，制造可行。

[1]王寶忠.飛機設計手冊第10冊·結(jié)構(gòu)設計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000,10.

[2]楊乃賓,章怡寧.復合材料飛機結(jié)構(gòu)設計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002，5.

[3]沈真.復合材料結(jié)構(gòu)設計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001，11.

[4]中國航空研究院.復合材料連接手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，1994，10.

[5]航空制造工程手冊總編委會.飛機結(jié)構(gòu)工藝性指南[M].北京：航空工業(yè)出版社，2010.

>>>作者簡介

劉杰，男，1981年出生，2005年畢業(yè)于南京航空航天大學，高級工程師，現(xiàn)從事飛機結(jié)構(gòu)設計工作。

Structure Design on Composite Wing Box of an Aircraft

Liu Jie,Kong Lingjun,Li Xiaobao
(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)

Concerning the composite structure developed for an aircraft wing,this paper presents a comprehensive description on structure type,material system,sealing ways,process program etc.It verifies the feasibility of designing and manufacturing composite integration of main force-bearing structure,which provides the reference for engineering application of main force-bearing composite structure.

Composite material;Wing box;Integration;Structure design

2016-06-21）