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中央翼后梁復(fù)合材料與金屬方案對比分析

0引言

復(fù)合材料相比于金屬材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，一般情況下復(fù)合材料具有比強度高、比剛度大、制造工藝簡單以及材料的可設(shè)計性強等優(yōu)良特性。目前由于航空工業(yè)及其他工業(yè)的需求，尤其是近年來航空工業(yè)對飛機減重以及成本的考慮，高性能的復(fù)合材料在設(shè)計和制造上得到了很大地發(fā)展。金屬材料設(shè)計技術(shù)成熟，且國內(nèi)制造加工工藝完備，在很多飛機型號上已經(jīng)應(yīng)用很成熟。

復(fù)材方案和金屬方案在設(shè)計、制造、成本、周期等各方面都有很多差別，本文結(jié)合民用飛機中央翼后梁的設(shè)計過程，在相同的設(shè)計依據(jù)和結(jié)構(gòu)環(huán)境下，從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度對兩者進行對比分析，為后期型號設(shè)計提供技術(shù)支持。

1方案介紹

以某型民機中央翼后梁為參考。分別選用碳纖維T800級復(fù)合材料方案以及7085鋁合金整體機加方案。

1.1復(fù)合材料梁方案

復(fù)材方案在后梁腹板平面內(nèi)布置有12根支柱，間距為200mm左右，中間長支柱為龍骨梁連接支柱，與龍骨梁側(cè)壁板連接，其它普通支柱均為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。腹板面上設(shè)計有維修口蓋，口蓋設(shè)計為夾持式的非承力口蓋，如圖1、圖2所示。

1.2金屬梁方案

金屬方案后梁為整體機加梁，外表面為非加工面，內(nèi)表面設(shè)計縱橫加筋，加強筋為“T”形剖面。在龍骨梁對應(yīng)位置處連接龍骨梁支柱，與后梁本體之間機械連接。腹板面上同樣設(shè)計有維修口蓋，如圖3、圖4所示。

圖1　復(fù)材后梁正面

圖2　復(fù)材后梁背面

圖3　金屬后梁正面

圖4　金屬后梁背面

2對比分析

2.1設(shè)計原則對比

復(fù)合材料設(shè)計一般原則：

⑴在極限載荷下，應(yīng)變不得超過設(shè)計許用值。

⑵對于中央翼結(jié)構(gòu)，因為有整體油箱功能要求，在限制載荷和極限載荷下均不允許進入屈曲。

金屬設(shè)計原則：

⑴后梁緣條的拉伸強度與壓損強度；

⑵后梁筋條及支柱的失穩(wěn)強度；

⑶后梁腹板的壓剪聯(lián)合穩(wěn)定性；

⑷后梁在油箱壓力載荷下的靜強度。

2.2選材對比

目前，世界主流飛機中央翼復(fù)合材料選用材料為中模量、高強度碳纖維，第三代增韌環(huán)氧樹脂。復(fù)合材料后梁方案采用的是碳纖維預(yù)浸料，表面鋪設(shè)玻璃布；復(fù)材支柱選用碳纖維預(yù)浸料；龍骨梁支柱選用7000系列鋁合金型材。將中央翼后梁口蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計成非承力口蓋結(jié)構(gòu)，口蓋材料選用鈦合金，因為鈦合金熱膨脹系數(shù)接近復(fù)合材料，可與中央翼復(fù)合材料后梁結(jié)構(gòu)配合使用。連接角盒結(jié)構(gòu)選用7050板材。

金屬后梁方案梁腹板選用7085鋁合金板材整體機加而成；龍骨梁支柱選用與復(fù)材方案一致的7000系列鋁合金型材。口蓋材料選用常規(guī)鋁合金7050板材。

2.3結(jié)構(gòu)形式對比

復(fù)合材料后梁腹板采用“C”型截面結(jié)構(gòu)形式，通過二次膠接工藝與復(fù)材支柱連接在一起，如圖5所示。僅支柱端部安裝緊固件以防止支柱脫粘。

圖5　復(fù)材結(jié)構(gòu)連接方案

中央翼后梁結(jié)構(gòu)與機身地板縱梁直接連接，地板縱梁對于后梁會有一個垂向和航向力作用，于是需要在地板縱梁對應(yīng)位置布置相應(yīng)支柱，并設(shè)計出角盒結(jié)構(gòu)來連接地板縱梁與支柱，為這些載荷提供通路，以保證整個中央翼盒的穩(wěn)定性和剛度。角盒與后梁腹板本體是通過高鎖螺栓連接的機械連接形式，如圖6所示。

圖6　角盒結(jié)構(gòu)

金屬方案采用整體機加梁，內(nèi)表面設(shè)計縱橫加筋來代替支柱結(jié)構(gòu)，加強筋為“T”形剖面。地板縱梁角盒也同樣與梁結(jié)構(gòu)整體設(shè)計為一體結(jié)構(gòu)，如圖7所示。除龍骨梁支柱與梁本體連接外，無其它緊固件，能有效減輕結(jié)構(gòu)重量，但材料整體利用率不高。

圖7　整體機加角盒

2.4細節(jié)設(shè)計對比

復(fù)合材料梁本體結(jié)構(gòu)往往整體鋪貼成型，鋪貼過程中充分考慮梁本體結(jié)構(gòu)變化引起的剛度變化對結(jié)構(gòu)承載的影響，不同鋪層厚度區(qū)域往往通過剔層設(shè)計來實現(xiàn)。梁本體的剔層過渡區(qū)域完全按照設(shè)計手冊要求的剔層區(qū)域過渡平滑。

模具成型后零件圓角要滿足與零件厚度匹配的圓角最小最低要求，內(nèi)圓角同時不得低于5mm。

對所有開口補強時只能選取插層補強或鉚接金屬加強板方式，無形中增加了額外重量。由于復(fù)合材料的可設(shè)計性不強，對非承力油箱口蓋的夾持方式只能在加強板設(shè)計，開孔形式如圖8、圖9所示。

圖8　鈦板補強方式(正面)

金屬后梁采用整體機加工藝，加工過程中需滿足機加件的轉(zhuǎn)角和底角基本要求外，同時零件厚度過渡時可采用機加倒角形式平滑過渡，按相應(yīng)設(shè)計手冊標準執(zhí)行即可，相對于復(fù)材剔層過渡要方便很多。

圖9　插層補強方式(背面)

同時梁本體外表面為非加工面，對開孔所有的補強設(shè)計以凸臺的形式全部布置在內(nèi)部。對非承力口蓋的夾持方式可直接在梁本體上設(shè)計，開孔形式如圖10～圖12所示。

圖10　金屬開孔正面

圖11　金屬開孔背面

圖12　普通開孔機加凸臺

3重量對比

綜合對比2套設(shè)計方案最終中央翼后梁結(jié)構(gòu)重量，復(fù)合材料后梁整體重量比金屬后梁整體重量輕11.9%。

由于金屬中央翼后梁本身已是整體機加件，屬于減重較為明顯的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，經(jīng)對比復(fù)合材料方案的減重比例不是很明顯。同時復(fù)材方案的緊固件邊距及間距要求比金屬結(jié)構(gòu)要高，往往導(dǎo)致零件尺寸比金屬方案零件略大。經(jīng)分析，中央翼后梁結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料方案能有效減輕結(jié)構(gòu)重量。

4結(jié)論

本文以某型民用飛機中央翼后梁兩種設(shè)計構(gòu)型對比分析，詳細分析和探討了2種方案的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計理念。對比發(fā)現(xiàn)這2種方案除本質(zhì)材料不同外，主要還存在結(jié)構(gòu)形式及細節(jié)設(shè)計方面的區(qū)別。復(fù)合材料方案重量輕，是未來民用飛機發(fā)展的必然趨勢，但目前存在設(shè)計經(jīng)驗缺失，試驗驗證周期長及工藝性能不穩(wěn)定等問題，待設(shè)計人員進一步完善設(shè)計。本文的對比分析對后期設(shè)計具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]楊乃斌 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)出版社出版，2002 .

[2]中國航空研究院編. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析指南[M].北京：航空工業(yè)出版社出版，2002 .

Design Comparison Between Metallic and Composite Rear Spar of Center Wing

葛建彪 /

Ge Jianbiao

(上海飛機設(shè)計研究院，上海201210)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute,Shanghai 201210,China)

摘要：

復(fù)合材料作為一種優(yōu)良的航空材料,具有比強度高、比剛度大、材料力學(xué)性能可設(shè)計等優(yōu)點。金屬材料由于成本不高，能夠滿足不同設(shè)計需求而被廣泛應(yīng)用，同時制造加工技術(shù)成熟。以某型飛機為例,詳細分析和探討了中央翼后梁采用復(fù)合材料和金屬材料2套方案，為中央翼后梁結(jié)構(gòu)設(shè)計提供支持。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；金屬；后梁；對比

[Abstract]Composite material as an excellent aviation material is widely used due to its high intensity, stiffness and designable performance. Metallic material is more widely used in airframe material because of low cost and excellent range of properties ,which can meet particular requirements and have experience of manufacturing techniques. As an example of some type of aircraft, the design procedure of these two schemes of composite and metallic material were analyzed and discussed in detail in this article. It is hopeful to provide technical support for the design on the rear spar of center wing.

[Key words]composite material; metallic material; rear spar; comparison

中圖分類號：V224

文獻標識碼：A