苗強(qiáng)

【摘 要】飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)上不可避免要開(kāi)有許多開(kāi)口，例如各類(lèi)系統(tǒng)的通過(guò)孔，旅客觀察窗開(kāi)口，登機(jī)門(mén)/服務(wù)門(mén)開(kāi)口等。開(kāi)口削弱了結(jié)構(gòu)的傳載能力，必須對(duì)開(kāi)口區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。相比金屬，復(fù)材機(jī)身對(duì)開(kāi)口更為敏感，加上復(fù)材特別的制造工藝特點(diǎn)，需在設(shè)計(jì)初期就確定開(kāi)口加強(qiáng)的形式與結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文將介紹工程常用的復(fù)材機(jī)身結(jié)構(gòu)上中小型開(kāi)口增強(qiáng)方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從減重和效率上分析各類(lèi)補(bǔ)強(qiáng)方案的特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】復(fù)材；機(jī)身；開(kāi)口；加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)： V229.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）23-0033-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.010

【Abstract】Considering system tubes assembly，passenger windows and service doors，fuselage structures are usually designed with all kinds of cutouts.Cutout destroys fuselage integrity and decreases structures' strength and stiffness； structure strengthening needed to be done to meet stress requirements.Composites are more sensitive to cutouts，and care should be taken to design cutout in composites.In this article，common strengthen methods of composite laminate cutouts are discussed which can be a guidance to design engineers.

【Key words】Composite；Fuselage；Cutout；Reinforcement

考慮工藝施工、檢查維修、設(shè)備安裝以及管路通過(guò)，飛機(jī)機(jī)身上常需布置很多開(kāi)口（開(kāi)孔）。這些開(kāi)口不論大小，均破壞了原有結(jié)構(gòu)的完整性，削弱結(jié)構(gòu)承載能力。此外，開(kāi)口處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，高應(yīng)力使開(kāi)口成為疲勞危險(xiǎn)區(qū)，因此對(duì)結(jié)構(gòu)開(kāi)口應(yīng)精心設(shè)計(jì)。

與金屬不同，復(fù)合材料開(kāi)口不僅切斷了承載纖維引起強(qiáng)度和剛度下降，而且復(fù)材的應(yīng)力集中和邊緣效應(yīng)更明顯，促使復(fù)材孔邊提前破壞。復(fù)合材料面內(nèi)承載能力高，制造工藝決定了它不適合制造成復(fù)雜的外形，因此復(fù)材在機(jī)身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用通常是蒙皮、腹板這類(lèi)加筋層壓板以及整流罩的蜂窩夾芯板。蜂窩夾芯板主要用于載荷不大的次要結(jié)構(gòu)，例如整流罩面板，其上的維修口常用口蓋進(jìn)行加強(qiáng)和封嚴(yán)。對(duì)于承載要求高的層壓板，鑒于疲勞和耐久性要求，開(kāi)口加強(qiáng)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。因此，本文將重點(diǎn)研究飛機(jī)層壓板開(kāi)口加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，闡述工程常用的加強(qiáng)方案。

1 開(kāi)口形狀與尺寸

設(shè)計(jì)復(fù)材零件開(kāi)口時(shí)應(yīng)以“盡量少地切斷纖維、開(kāi)口應(yīng)力集中小”為原則，這樣的開(kāi)口最大程度的保持原來(lái)結(jié)構(gòu)的承載能力。此外，還要考慮制造方便。機(jī)身結(jié)構(gòu)上最常用的開(kāi)口有圓形和橢圓形兩種，受力合理，易于加工。

按開(kāi)口尺寸，可把機(jī)身結(jié)構(gòu)上開(kāi)口分為三種：小開(kāi)口、中開(kāi)口和大開(kāi)口。小開(kāi)口，如管線(xiàn)通過(guò)孔，其孔徑通常為20～30mm。由于復(fù)材機(jī)身的設(shè)計(jì)許用應(yīng)變是按沖擊損傷無(wú)擴(kuò)展原則確定[1]，剩余強(qiáng)度大，對(duì)于孔徑/板寬小于0.2的小開(kāi)口，結(jié)構(gòu)可以承受孔邊應(yīng)力集中引起的高應(yīng)力。因此，對(duì)小開(kāi)口不要求補(bǔ)強(qiáng)。中等開(kāi)口孔直徑在60～120mm范圍，孔徑/板寬為0.5左右，如蒙皮壁板開(kāi)口以及承受剪力的梁、肋、框、腹板開(kāi)口等。開(kāi)口不切斷筋條、長(zhǎng)桁、立柱等軸力承載零件。這類(lèi)開(kāi)口需要加強(qiáng)，使得開(kāi)口后至少擁有原結(jié)構(gòu)60%～70%的承載能力。大開(kāi)口孔直徑在150mm以上，開(kāi)口要切斷帶有筋條/桁條的蒙皮和腹板。此類(lèi)開(kāi)口應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析獲得開(kāi)口影響范圍，并針對(duì)傳載要求進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的開(kāi)口影響區(qū)加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

2 開(kāi)口加強(qiáng)設(shè)計(jì)

開(kāi)口設(shè)計(jì)的核心是如何進(jìn)行加強(qiáng)。加強(qiáng)后，結(jié)構(gòu)承載能力應(yīng)能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。加強(qiáng)措施應(yīng)傳力合理，工藝可行，重量輕。

2.1 小開(kāi)口

針對(duì)中、小開(kāi)口，由于開(kāi)口不切斷軸力承載零件，使用加強(qiáng)片加強(qiáng)就可以有效提高開(kāi)口腹板的承剪能力和剛度。補(bǔ)片的加強(qiáng)方式有腹板兩側(cè)補(bǔ)片對(duì)稱(chēng)加強(qiáng)和腹板單側(cè)補(bǔ)片加強(qiáng)。補(bǔ)片可以插層到開(kāi)孔鋪層里，也可以貼補(bǔ)在開(kāi)孔板上。實(shí)踐表明，補(bǔ)片兩側(cè)插層的效果最好。

補(bǔ)片設(shè)計(jì)主要需確定補(bǔ)片厚度Δt、直徑D。設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)未開(kāi)口結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力N獲得母板的厚度t和鋪層。再根據(jù)開(kāi)孔直徑d和母板寬度W的比值d/W，進(jìn)行孔邊應(yīng)力分析或查手冊(cè)獲得應(yīng)力集中系數(shù)Kt，那么開(kāi)口結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力Nt=fKtN，其中f為安全系數(shù)。根據(jù)Nt按無(wú)孔層壓板設(shè)計(jì)，求出補(bǔ)片區(qū)厚度ts，那么補(bǔ)片厚度Δt=ts-t。補(bǔ)片直徑D應(yīng)能保證開(kāi)口周?chē)凶銐虻募羟袕?qiáng)度，一般取D/d=1.5～2.0[2]。工程經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于d/W小于0.45的開(kāi)孔，采用圓形補(bǔ)片效果最好；對(duì)于d/W大于0.45的開(kāi)孔，采用腹板全寬度加強(qiáng)效果最好。

2.2 大開(kāi)口

對(duì)于大開(kāi)口（如艙門(mén)），需使用“口框”和厚蒙皮進(jìn)行加強(qiáng)。大開(kāi)口切斷了多處軸力傳載元件，開(kāi)口處的軸力轉(zhuǎn)化為剪切方式傳遞。復(fù)材層壓板開(kāi)口載荷與金屬薄板相似，但復(fù)材受影響范圍比金屬結(jié)構(gòu)大，不僅與結(jié)構(gòu)尺寸、材料性能有關(guān)，還受鋪層參數(shù)影響。在開(kāi)口區(qū)適當(dāng)增加±45o鋪層的占比或選用剪切性能好的材料，可減小開(kāi)口受影響范圍以及對(duì)結(jié)構(gòu)減重有好處。蒙皮補(bǔ)強(qiáng)一般采用2.1節(jié)所述的補(bǔ)片插層方式，補(bǔ)片可與結(jié)構(gòu)一起鋪貼，采用共固化成形。

3 總結(jié)

本文總結(jié)了機(jī)身結(jié)構(gòu)上常用的復(fù)材層壓板開(kāi)口加強(qiáng)方式以及參數(shù)設(shè)計(jì)，可供民機(jī)設(shè)計(jì)師參考。進(jìn)行復(fù)材開(kāi)口設(shè)計(jì)時(shí)，在本文提及的工程設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上仍需進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膹?qiáng)度校核。

【參考文獻(xiàn)】

[1]姜波.飛機(jī)檢測(cè)與維修實(shí)用手冊(cè)（第一卷）.吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2005：426.

[2]牛春勻.實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及尺寸設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2009：240.