李林

摘 要：翼梁尺寸大、受力復(fù)雜，是飛機的典型主承力結(jié)構(gòu)。采用復(fù)合材料制造翼梁可達到減重、提高起重載荷并延長使用壽命的目的。本文以某型民用飛機復(fù)合材料翼盒[型梁準(zhǔn)等強度設(shè)計與優(yōu)化為目標(biāo)，通過對梁腹板和緣條采用經(jīng)典層合板理論，以穩(wěn)定性、靜強度、最大許用應(yīng)變?yōu)榧s束條件，研究了復(fù)合材料梁基于載荷分段的設(shè)計方法與鋪層優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：鋪層設(shè)計;梁腹板設(shè)計;梁緣條設(shè)計

隨著復(fù)合材料技術(shù)的飛速發(fā)展，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)也向著零件大型化、結(jié)構(gòu)整體化方向發(fā)展。結(jié)構(gòu)尺寸的增大和集成程度的增加，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與鋪層優(yōu)化方法提出了更高的要求。本文通過對某民用飛機復(fù)合材料中央翼盒翼梁鋪層設(shè)計、強度校核的研制，給出了典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度設(shè)計方法。

1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計

由于目前飛機結(jié)構(gòu)主要采用聚合物基復(fù)合材料多向?qū)訅航Y(jié)構(gòu)，它可以由不同比例、不同纖維方向的鋪層構(gòu)成，在結(jié)構(gòu)應(yīng)用時形成結(jié)構(gòu)的基本元素— 層壓板。從穩(wěn)定性、減少泊松比和熱應(yīng)力等考慮，構(gòu)件設(shè)計中應(yīng)同時包含不同鋪層比例和鋪疊順序的00、±450、900四種纖維鋪層，且在保證層壓板纖維鋪層對稱和均衡前提下某一方向鋪層最多不能超過總鋪層的60%，不能少于10%。由于這些特點，研究表明復(fù)合材料與金屬結(jié)構(gòu)特性有很多不同，特別是損傷、斷裂和疲勞特性能有很大差異，必須采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特殊的設(shè)計方法。

2? 復(fù)合材料翼梁設(shè)計

某民機中央翼盒翼梁由碳纖維預(yù)浸料鋪貼的[型層壓梁、共固化的2根水平加強筋和機械連接的4根垂直加強筋組成。

按結(jié)構(gòu)型式，將層壓梁的腹板看作柔性層壓板，緣條看作剛性層壓板。根據(jù)經(jīng)典層壓板理論及鋪層設(shè)計原則，通過受力分析、計算，層壓梁劃分為9個厚度區(qū)域并得出相應(yīng)區(qū)域鋪層總數(shù)。

說明：層板區(qū)域標(biāo)識X-ZZ

X=層板類型（1，2，3）? ZZ=層板區(qū)域鋪層數(shù)

1=梁腹板（柔性層板）2=梁緣條（剛性層板）3=梁端連接區(qū)（準(zhǔn)各向同性）

2.1? 梁腹板設(shè)計

梁腹板由柔性區(qū)域和準(zhǔn)各向同性區(qū)域組成，根據(jù)各區(qū)域強度、剛度及功能需求，將纖維鋪層0°/±45°/90°，柔性區(qū)域按44/44/12比例劃分，準(zhǔn)各向同性區(qū)域按25/50/25比例劃分。

2.1.1 穩(wěn)定性分析

梁腹板主要承受彎曲和剪切載荷，將整個梁腹板以兩個水平加筋為隔斷分為三個部分。

其中壁板1和壁板3所受彎曲載荷等效為壓縮載荷，即受壓、剪耦合載荷，壁板2為彎曲和剪切耦合載荷。梁腹板在靠近周邊的部分要求在極限載荷（UL）下不發(fā)生失穩(wěn)，中間的部分要求125%限制載荷（DLL）之上允許發(fā)生失穩(wěn)，進而分別對相應(yīng)區(qū)域壁板應(yīng)用相關(guān)系數(shù)法得出屈曲安全裕度MS值。

2.1.2 靜強度分析

對腹板用蔡—胡理論分別進行拉伸和壓縮失效分析，要包括沖擊損傷剩余強度和開口影響分析。失效校核：

—拉伸載荷：Tsai-Wu失效準(zhǔn)則，TAI（Tension After Impact）， FHT（Fill Hole Tension）;

—壓縮載荷：Tsai-Wu失效準(zhǔn)則，CAI（Compression After Impact）， OHC（Open Hole Compression）;

2.1.3 最大許用應(yīng)變分析

對于復(fù)合材料而言僅僅考慮應(yīng)力對于結(jié)構(gòu)和材料本身的影響是不準(zhǔn)確的，還需要考慮應(yīng)變的變化范圍，通過試驗得出應(yīng)變許用值，從而對結(jié)構(gòu)單元進行尺寸區(qū)域劃分。

2.1.4 翼盒油箱完整性分析

完整性分析主要考慮承受應(yīng)急著陸情況下的慣性力作用，即油壓向前9G的過載對梁腹板的影響。

2.2 梁緣條設(shè)計

梁緣條由剛性區(qū)域和準(zhǔn)各向同性區(qū)域組成，根據(jù)各區(qū)域強度、剛度及功能需求，將纖維鋪層0°/±45°/90°，柔性區(qū)域按57/29/14比例劃分，準(zhǔn)各向同性區(qū)域按25/50/25比例劃分。梁緣條受載較大且處于裝配連接區(qū)域并帶有較大的彎角，因此梁緣條區(qū)域的分析要相對復(fù)雜一些，將緣條簡化為桿元件。主要考慮以下幾個方面。

2.2.1 考慮緊固件布置的幾何尺寸分析

復(fù)合材料層壓板應(yīng)盡可能加大緊固件間距，但為了滿足油箱構(gòu)件防泄漏需求，可考慮采用雙排交錯排釘法（5.5d≤P釘間距≤6.5d ，e排距=4d）。

根據(jù)等強度原則。在梁緣條兩端區(qū)域采用較小釘間距，中間區(qū)域采用較大釘間距，這樣既達到減重要求，同時提高復(fù)合材料層壓板連接強度及滿足結(jié)構(gòu)功能需求。按緊固件間距尺寸要求可以得出梁緣條寬度初始尺寸。

2.2.2穩(wěn)定性分析

梁緣條需要分析三個方面的穩(wěn)定性：

—局部失穩(wěn)（Local Bucking）;

—壓損破壞（Cripping）;

—柱屈曲（Column Buckling）。

2.2.3 靜強度分析

對梁緣條用蔡—胡理論分別進行拉伸和壓縮失效分析，要包括沖擊損傷剩余強度和開口影響分析。失效校核：

—拉伸載荷：Tsai-Wu失效準(zhǔn)則，TAI（Tension After Impact）， FHT（Fill Hole Tension）;

—壓縮載荷：Tsai-Wu失效準(zhǔn)則，CAI（Compression After Impact）， OHC（Open Hole Compression）。

2.2.4 最大許用應(yīng)變分析

同復(fù)合材料腹板，還需考慮緣條應(yīng)變的變化范圍，通過試驗得出材料元件應(yīng)變許用值，從而對梁緣條結(jié)構(gòu)單元不同區(qū)域尺寸進行校核。

通過對層壓梁腹板、緣條失效分析，逐步修正、迭代計算確定層壓梁幾何尺寸及各區(qū)域相應(yīng)鋪層數(shù)、鋪層比例和鋪層順序。

同理，梁加強筋的立邊和臥邊也可看作剛性層壓板，按60/30/10比例劃分0°/±45°/90°纖維鋪層，并進行相應(yīng)失效準(zhǔn)則校核。

復(fù)合材料翼梁各區(qū)域鋪層設(shè)計確定后即可進行設(shè)計、制造一體化設(shè)計，完成翼梁的設(shè)計與工藝的轉(zhuǎn)化。

3? 結(jié)束語

針對某民用飛機復(fù)合材料中央翼盒翼梁，應(yīng)用經(jīng)典層壓板理論對翼梁不同厚度區(qū)域進行分段設(shè)計校核，獲得了滿足要求的翼梁纖維鋪層設(shè)計。隨著飛機性能不斷提高，復(fù)合材料在飛機主結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的不斷增加，新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，特別是在低成本要求驅(qū)動下復(fù)合材料整體化結(jié)構(gòu)的發(fā)展，其強度規(guī)范和設(shè)計方法必然也要不斷發(fā)展。

參考文獻：

[1] 沈真，章怡寧，黎觀生. 復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計和驗證的特點. 中國航空學(xué)會第五屆復(fù)合材料專業(yè)委員會成立大會暨航空用復(fù)合材料新技術(shù)及其應(yīng)用研討會

[2] 萬建平，李朝光，杜龍. 典型復(fù)合材料襟翼結(jié)構(gòu)強度設(shè)計. 教練機.2014第4期