王勝　何勇　張明輝

【摘 要】通過有限元分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對飛機(jī)復(fù)合材料梁腹板開孔對承載能力的影響進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果與計算結(jié)果吻合。當(dāng)開孔孔徑與腹板寬度比不大于0.2時，開孔不需要補(bǔ)強(qiáng)；當(dāng)孔徑與腹板寬度比大于0.2后，開孔經(jīng)過補(bǔ)強(qiáng)后，可以滿足使用要求。

【關(guān)鍵詞】有限元；試驗(yàn)；梁腹板開孔；承載能力

0 引言

由于復(fù)合材料輕質(zhì)高性能的材料特點(diǎn)，近年來復(fù)合材料在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其中A350和B787兩個機(jī)型尤為突出，復(fù)材結(jié)構(gòu)使用率分別占到了全機(jī)的52%和50%。復(fù)合材料占飛機(jī)結(jié)構(gòu)的比率逐步提高，正成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)采用最重要的材料之一[1]，本文以某型飛機(jī)舵面復(fù)合材料梁作為研究對象，研究復(fù)合材料梁腹板開孔對承載能力的影響。舵面對于飛機(jī)的操作穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用，作為舵面的主要結(jié)構(gòu)件，梁以其腹板與蒙皮共同完成對于扭矩的傳遞，故梁腹板的剪切承載能力在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中很有必要。

1 試驗(yàn)件設(shè)計

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，為便于結(jié)構(gòu)檢查，舵梁腹板上開有Φ25mm檢查孔，該孔孔徑已接近升降舵梁高度的1/3，但未超過方向舵對梁梁高度的1/3，因此考核開孔對梁腹板剪切承載能力的影響時需對升降舵梁腹板上的開孔需要補(bǔ)強(qiáng)[2]，而方向舵梁腹板上的開孔則沒有補(bǔ)強(qiáng)。在方案設(shè)計的初步階段，梁腹板厚度尚不能完全確定，因此在試驗(yàn)方案中梁腹板規(guī)劃了兩種厚度，這兩種厚度有可能應(yīng)用于實(shí)際的結(jié)構(gòu)中。

梁結(jié)構(gòu)選型試驗(yàn)包括8組，每組4件共32件試驗(yàn)件。試驗(yàn)考核部位為操懸掛接頭和操縱接頭之間的梁腹板。試驗(yàn)件設(shè)計為I型梁，考核區(qū)位于梁腹板中間部分。考核區(qū)厚度設(shè)計為2.16mm和2.592mm，對應(yīng)的鋪層順序分別為[±45/（0，90）2/±45/（0，90）]s和[（±45）2/（0，90）2/±45/（0，90）]s：與真實(shí)結(jié)構(gòu)趨于一致。非考核區(qū)對應(yīng)的鋪層順序?yàn)閇（±45）2/（0，90）2/±45/（±45/（0，90））2]s考慮到試驗(yàn)夾持及其他因素設(shè)計的需要，梁腹板剪切穩(wěn)定性試驗(yàn)的試驗(yàn)件尺寸參數(shù)和梁結(jié)構(gòu)選型試驗(yàn)試驗(yàn)件規(guī)劃見表1。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 加載方式

按照懸臂梁的理論，懸臂梁的梁緣條承受拉壓載荷，腹板承受剪載，試驗(yàn)方應(yīng)采取必要措施確保粱緣條有足夠的強(qiáng)度，以保證梁緣條不會先于腹板失穩(wěn)。試驗(yàn)加載示意圖見圖2。試驗(yàn)件根部用夾具夾持固定在承力墻上，另一端通過接頭與液壓作動筒連接，施加集中載荷，并在兩側(cè)施加約束，以保證載荷作用點(diǎn)通過試驗(yàn)件的截面形心。試驗(yàn)結(jié)果如下表3所示。

4 計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比分析

經(jīng)過上述計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比分析得到，試件屈曲載荷的計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最大誤差為05組試件，誤差值為7.71%，03組試件為最小誤差組，誤差值為3.3%。

5 結(jié)論

a）分析方法準(zhǔn)確、有效；誤差小于10%，可以滿足型號設(shè)計要求；

b）開孔不補(bǔ)強(qiáng)比不開孔，屈曲載荷下降，破壞載荷下降；當(dāng)孔徑較零件寬度比小于0.2時不需要補(bǔ)強(qiáng)，反之視結(jié)構(gòu)重要程度進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；

c）開孔補(bǔ)強(qiáng)比不開孔，屈曲載荷提高，破壞載荷下降；開孔補(bǔ)強(qiáng)后滿足使用要求。

【參考文獻(xiàn)】

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

[2]沈真，章怡寧，李新祥.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社.

[責(zé)任編輯：湯靜]