鄧文亮，王彬文，吳敬濤，成竹

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

引言

為了提升民機(jī)型號競爭性和運(yùn)輸市場占有率，國內(nèi)外民用飛機(jī)制造商針對降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量、提升結(jié)構(gòu)使用效率和延長飛機(jī)服役壽命等方面一直開展著相關(guān)研究。復(fù)合材料憑借優(yōu)異比強(qiáng)度、比剛度的力學(xué)性能[1]大量應(yīng)用于民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，新一代大型民用飛機(jī)波音787和空客A350則最具有代表性，其復(fù)合材料用量分別占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的50 %和52 %[2]，從而使得B787、A350等先進(jìn)民機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)壽命大大延長，甚至達(dá)到90 000飛行小時(shí)以上[3]，遠(yuǎn)高于國內(nèi)支線客機(jī)ARJ21-700飛機(jī)和MA700飛機(jī)及干線客機(jī)C919飛機(jī)?？梢哉f復(fù)合材料在民機(jī)結(jié)構(gòu)中大量應(yīng)用是爭奪國際民機(jī)市場占有率的關(guān)鍵因素之一，已成為衡量新一代民機(jī)先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)性的重要標(biāo)志。然而由于復(fù)合材料和金屬兩者之間的熱膨脹系數(shù)存在巨大差異，金屬熱膨脹系數(shù)是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的10～20倍。在飛機(jī)運(yùn)營環(huán)境中溫差條件下，環(huán)境溫度的突然變化或者循環(huán)變化等情況下，金屬與復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)必然產(chǎn)生顯著的熱應(yīng)力，也稱之為熱應(yīng)力[4]，這種熱應(yīng)力隨之結(jié)構(gòu)尺寸長度而增長，有時(shí)甚至可能達(dá)到結(jié)構(gòu)力學(xué)載荷應(yīng)力的40 %左右，忽略熱應(yīng)力必將導(dǎo)致飛機(jī)在運(yùn)營過程中存在極大的安全隱患，當(dāng)熱應(yīng)力增加到一定載荷值后，混合結(jié)構(gòu)壁板會產(chǎn)生很大的橫向和縱向變形，使得混合結(jié)構(gòu)發(fā)生鼓包或翹曲，這種現(xiàn)象稱為熱屈曲。一方面，結(jié)構(gòu)熱屈曲變化常常具有突發(fā)性，嚴(yán)重時(shí)則會加劇破壞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；另一方面在溫度環(huán)境下，金屬與復(fù)合材料本身的力學(xué)性能與熱物性具有明顯的非線性，變得十分復(fù)雜，增加了結(jié)構(gòu)熱屈曲演變行為規(guī)律的復(fù)雜性。同時(shí)結(jié)構(gòu)熱屈曲將減弱飛機(jī)結(jié)構(gòu)的載荷承受能力，甚至嚴(yán)重威脅飛行器的結(jié)構(gòu)完整性與安全性，因此復(fù)合材料與金屬混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一是熱應(yīng)力問題，亟需采用有效的技術(shù)手段開展熱環(huán)境下飛行器壁板結(jié)構(gòu)熱變形性能測試研究。

Gossard等人[5]采用Rayleigh-Ritz方法在馮卡門大變形方程的基礎(chǔ)上計(jì)算了結(jié)構(gòu)熱屈曲變形規(guī)律，但是溫度差異引起材料塑性變形及非線性并未研究；Tauchert[6]和Huang[7]采用Reissner-Mindlin平板理論方法探究了結(jié)構(gòu)均勻熱分布載荷下不同鋪設(shè)角復(fù)材層合板的熱屈曲演變行為；Sun和Hsu[8]基于Kirchhoff 理論研究了多種溫度條件下復(fù)材層合板的橫向變形與熱屈曲變化規(guī)律特性。Whitney和Ashton[9]基于能量方程和利茲法分析了不同鋪設(shè)角復(fù)合材料板的臨界熱屈曲溫度；Chen等人[10]利用位移平衡方程和迦遼金法面向固支和簡支兩種約束條件下的復(fù)材層合板，分析了復(fù)材層合板的熱屈曲變化關(guān)鍵參數(shù)；Meyers和Hyer[11]利用利茲法計(jì)算分析了對稱鋪設(shè)角復(fù)材層合板的臨界熱屈曲值和后屈曲演變規(guī)律；Abramovich[12]基于一階變形理論分析了不同邊界約束條件下兩種正交鋪層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的熱屈曲變化行為。目前采用試驗(yàn)方法研究飛行器壁板結(jié)構(gòu)熱屈曲行為的工作很少，Jin等[13,14]在數(shù)字圖像相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)上圍繞150 ℃下熱環(huán)境分別研究了鈦合金和復(fù)合材料板熱屈曲行為規(guī)律。袁武等[15]采用DIC圖像相關(guān)技術(shù)圍繞800 ℃環(huán)境溫度研究了點(diǎn)陣金屬夾層板的熱屈曲演變規(guī)律。

本文從試驗(yàn)測試開展研究混合結(jié)構(gòu)熱屈曲行為，針對混合結(jié)構(gòu)從常溫（20 ～ -55）℃的熱屈曲行為，采用非接觸式光學(xué)測試技術(shù)獲取整個(gè)溫度歷程的熱屈曲變形參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)分析了混合結(jié)構(gòu)臨界熱變形，揭示了飛機(jī)溫度包線下混合結(jié)構(gòu)壁板的熱屈曲變形規(guī)律。

1 試驗(yàn)對象與試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)測試區(qū)域

本文測試對象為飛機(jī)金屬/復(fù)材混合結(jié)構(gòu)局部壁板區(qū)域，測量區(qū)域如圖1所示，在試驗(yàn)測試區(qū)域選取了若干重點(diǎn)關(guān)注的變形特征點(diǎn)，在試驗(yàn)過程需要持續(xù)關(guān)注其變形過程。在被測區(qū)域共選取7個(gè)點(diǎn)（A、B、C、D、E、F、G）進(jìn)行變形曲線觀測。測試特征點(diǎn)分布如圖2所示。

圖1 測試區(qū)域

圖2 測試特征點(diǎn)分布圖

1.2 試驗(yàn)測試過程

為了獲取結(jié)構(gòu)在低溫-55 ℃情況的熱變形及屈曲行為規(guī)律，提出了非接觸式三維變形測量方法應(yīng)用于低溫情況下飛機(jī)結(jié)構(gòu)三維形變測量。該測量的基本原理是基于攝像測量和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，測量系統(tǒng)主要由硬件設(shè)備和后處理軟件組成。由于測試是在低溫、大視場環(huán)境下進(jìn)行，對試驗(yàn)設(shè)備性能、試驗(yàn)過程的圖像采集和數(shù)據(jù)后處理等都有一定的挑戰(zhàn)。因此，試驗(yàn)前針對該特殊測量場景制定詳細(xì)的試驗(yàn)方案，包括試驗(yàn)方案制定、試驗(yàn)前多輪調(diào)試及正式試驗(yàn)時(shí)跟蹤測量。

試驗(yàn)總體分為降溫、浸泡、回溫三個(gè)階段。分別對試驗(yàn)過程中降/回溫各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了測量，具體的測量節(jié)點(diǎn)如下：低溫試驗(yàn)：21 ℃、10 ℃、0 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃、-30 ℃、-35 ℃、-40 ℃、-45 ℃、-50 ℃、-55 ℃、回溫-50 ℃、回溫-45 ℃、回溫-40 ℃、回溫-30 ℃、回溫-20 ℃、回溫-10 ℃、回溫0 ℃、回溫10 ℃、回溫21 ℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)過程，獲取了混合結(jié)構(gòu)壁板不同溫度點(diǎn)下X方向、Y方向及Z方向的變形結(jié)果，其中Z方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)離面位移。各個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的變形場云圖見圖3（從左至右依次為X方向變形場，Y方向變形場，Z方向變形場，縱坐標(biāo)單位mm），特征點(diǎn)處的變形-溫度曲線見圖4。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，最大長壁板結(jié)構(gòu)X方向、Y方向的變形相對較小，均不超過2 mm，特征B點(diǎn)處離面位移（Z方向）最大，達(dá)到了4 mm；因此混合結(jié)構(gòu)壁板變形應(yīng)關(guān)注離面位移歷程的變化，離面位移變化是結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)的表現(xiàn)，當(dāng)溫度逐漸回至常溫21 ℃時(shí)，結(jié)構(gòu)的變形也隨之恢復(fù)，說明壁板結(jié)構(gòu)在降溫過程中雖然產(chǎn)生屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象，但是結(jié)構(gòu)仍可恢復(fù)至正常狀態(tài)，并未產(chǎn)生后屈曲現(xiàn)象；從圖5中分析可知，結(jié)構(gòu)特征B點(diǎn)變形的變化斜率在-15 ℃之后發(fā)生了巨大的變化，并且結(jié)構(gòu)離面位移變化基本呈現(xiàn)線性關(guān)系。

圖4 不同溫度點(diǎn)下結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)變形曲線

圖5 不同溫度點(diǎn)下結(jié)構(gòu)最大變形特征點(diǎn)降溫-變形曲線

3 總結(jié)

本文從試驗(yàn)測試開展研究混合結(jié)構(gòu)熱屈曲行為，針對混合結(jié)構(gòu)從常溫（20 ～ -55）℃的熱屈曲行為，采用非接觸式光學(xué)測試技術(shù)獲取整個(gè)溫度歷程的熱屈曲變形參數(shù)，揭示了飛機(jī)溫度包線下混合結(jié)構(gòu)壁板的熱屈曲變形規(guī)律：根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，長壁板結(jié)構(gòu)X方向、Y方向的變形相對較小，均不超過2 mm，Z方向離面位移則達(dá)到4 mm；離面位移變化是結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)的表現(xiàn)，壁板結(jié)構(gòu)在降溫過程中雖然產(chǎn)生屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象，但是結(jié)構(gòu)仍可恢復(fù)至正常狀態(tài)，并未產(chǎn)生后屈曲現(xiàn)象。