1、典型復(fù)合材料襟翼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)萬(wàn)建平1,李朝光2,杜龍2（1.海裝武漢地區(qū)軍代局，湖北武漢430011;2.中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）摘要：提出了典型復(fù)合材料襟翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，包括結(jié)構(gòu)形式及鋪層設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，采用MSC.PATRAN建立復(fù)合材料襟翼有限元模型，利用MSC.NASTRAN進(jìn)行有限元分析，給出了主要構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，證明該設(shè)計(jì)方案合理可行，并滿足減重設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；襟翼；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；強(qiáng)度分析StructureandStrengthDesignofTypicalCompositeFlapWanJianping1,LiChaoguang,DuLong2(1.Wu

2、hanNavyRepresentativeOffice,Wuhan,Hubei,4300112.AVICHongduAviationIndustryGroup,Nanchang,Jiangxi,330024)AbstractIncludingstructureconfigurationandlayerdesign,thestructuredesignplanoftypicalcompositeflapwasproposedinthispaper.ThenthemodelofcompositeflapwasestablishedwithMSC.PATRAN,andthestrengthofthe

3、flapwasanalyzedwithMSC.NATRANsoftware.Theresultsshowedthedesignplanofcompositeflapisfeasibleandsatisfiedwiththeweightreducingrequirements.Keywordscomposite;flap;structuredesign;strengthanalysis現(xiàn)代飛機(jī)為了增加升力，提高機(jī)動(dòng)性，減小大迎角下失速速度，改善起飛和著陸性能，在機(jī)翼前、后緣除布置橫向操縱用的副翼和擾流片外，還布置了大量的增升裝置，其形式很多，包括各類襟翼和縫翼1。飛機(jī)的性能與飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重量密切相

4、關(guān)， 減輕結(jié)構(gòu)重量是飛機(jī)研制工作中的主要目標(biāo)之一。復(fù)合材料具有比剛度和比強(qiáng)度高、抗疲勞和抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用范圍已由最初的次承力結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到主承力結(jié)構(gòu)。目前，在新研飛機(jī)的翼面結(jié)構(gòu)中大量采用復(fù)合材料，有些翼面結(jié)構(gòu)甚至采用全復(fù)合材料設(shè)計(jì)2O以往飛機(jī)襟翼多采用全金屬結(jié)構(gòu)，重量大，且裝配變形較難控制，表面質(zhì)量不高。本文采用等剛度設(shè)計(jì)原則，提出了一種典型復(fù)合材料襟翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了強(qiáng)度分析。1復(fù)合材料襟翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1結(jié)構(gòu)形式在確定復(fù)合材料襟翼的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，對(duì)兩種方案進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析：一種采用梁式結(jié)構(gòu)，另一種為全高度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。梁式結(jié)構(gòu)主要由上下蒙皮、

5、金屬梁、長(zhǎng)桁和若干翼肋組成：蒙皮只承受剪應(yīng)力；金屬梁緣條承受絕大部分彎矩引起的正應(yīng)力，剪力由梁腹板傳遞；扭矩由蒙皮和金屬梁組成的閉室來(lái)傳遞；翼肋支持蒙皮和梁腹板并傳遞集中載荷。全高度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)主要由上下蒙皮、金屬梁和少量翼肋組成：彎曲載荷由金屬梁緣條和被蜂窩芯材密集支撐的蒙皮共同傳遞；剪力由梁腹板和蜂窩芯傳遞；扭矩由蒙皮和梁組成的閉室來(lái)傳遞。由于有蜂窩芯對(duì)蒙皮的密集支持，因此除端部接頭處安排翼肋外，可以取消其它普通肋。對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)形式， 梁式結(jié)構(gòu)的抗彎材料都集中在翼梁緣條上，結(jié)構(gòu)形式和裝配工藝簡(jiǎn)單；全高度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度高、成本低、工藝方法成熟、零件數(shù)量少和裝配工作量少等優(yōu)點(diǎn)，但蜂窩夾

6、層結(jié)構(gòu)對(duì)密封防潮要求較高，且為傳遞集中載荷，復(fù)合材料襟翼上布置了幾個(gè)加強(qiáng)肋，導(dǎo)致蜂窩芯分為多段，增加了夾層結(jié)構(gòu)的制造難度。經(jīng)綜合分析，最終選擇采用梁式結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料襟翼的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。圖1復(fù)合材料襟翼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖復(fù)合材料襟翼為復(fù)合材料與金屬混合結(jié)構(gòu)，通過(guò)4個(gè)懸掛接頭和兩個(gè)操縱作動(dòng)筒連接在機(jī)翼上c基于等剛度設(shè)計(jì)原則，并考慮不改變?cè)砗薪宇^設(shè)計(jì)及裝配關(guān)系，承受集中載荷作用的加強(qiáng)肋仍沿用金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而蒙皮和普通肋采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)c復(fù)合材料蒙皮分為上、下蒙皮，在襟翼前緣與前緣條通過(guò)鈦合金抽釘機(jī)械連接，上、下蒙皮與肋、梁用鈦合金抽釘機(jī)械連接。1.2結(jié)構(gòu)選材翼梁分為內(nèi)段梁和外段梁，材料分別選用航空上常

7、用的LC9和7050-T7451鋁合金，長(zhǎng)桁和加強(qiáng)肋選用LY12鋁合金表1）蒙皮和普通肋選用國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料CCF300/BA9916-II俵2）角層厚度為0.125mm,纖維體積含量60%,密度為1.59g-cm-3。表1金屬材料參數(shù)材料E/GPaV(Tb/MPap/g cm-3LC9710.334902.87050-T7451710.335102.82LY12710.334202.81.3鋪層設(shè)計(jì)1）蒙皮蒙皮的功用主要為維持襟翼外形，直接承受氣動(dòng)載荷并把它傳遞到襟翼的梁和肋上。上蒙皮主要承受壓應(yīng)力，為穩(wěn)定性約束；下蒙皮主要承受拉應(yīng)力，為應(yīng)變約束。上蒙皮設(shè)計(jì)成分段變厚度，下蒙皮為等厚度。蒙

8、皮鋪層參數(shù)見(jiàn)表3。表3蒙皮鋪層參數(shù)2）翼肋翼肋是橫向受力構(gòu)件，主要支持蒙皮維持氣動(dòng)外形。因此，普通肋的鋪層要按對(duì)蒙皮壁板的支持剛度要求設(shè)計(jì)，其鋪層為：超 5/%5/M5/90/01S。2有限元模型的建立復(fù)合材料襟翼有限元模型如圖2所示。圖2復(fù)合材料襟翼有限元模型網(wǎng)格劃分在復(fù)合材料襟翼結(jié)構(gòu)有限元建模過(guò)程中，根據(jù)各元件的承載特點(diǎn)，分別選用以下幾種單元：1）金屬梁緣條、長(zhǎng)桁和所有肋緣條選用桿元；2）蒙皮和普通肋腹板選用殼元；En/GPaEzz/GPaG12/GPa12Xt/MPaXc/MPaYt/MPaYc/MPaS/MPa(/g-cm-31289.754.60.269157911017618289

9、1.59表2CCF300/BA9916-口復(fù)合材料性能參數(shù)3）金屬梁腹板和加強(qiáng)肋腹板選用純剪板元。約束和載荷為了盡可能地求得復(fù)合材料襟翼在設(shè)計(jì)載荷作用下真實(shí)的內(nèi)力值，應(yīng)盡量保證模型的約束條件和真實(shí)情況一樣。 因此， 將復(fù)合材料襟翼模型支持在機(jī)翼模型上進(jìn)行有限元分析。在保證總載荷、總壓心不變的條件下，根據(jù)靜力等效原則，采用多點(diǎn)排方案將分布的氣動(dòng)載荷分配到復(fù)合材料襟翼有限元模型的上翼面節(jié)點(diǎn)上。3強(qiáng)度分析有限元分析結(jié)果采用NASTRAN軟件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3M6所示。圖5復(fù)合材料肋應(yīng)變?cè)茍D圖3為復(fù)合材料襟翼上蒙皮應(yīng)變?cè)茍D，最大主應(yīng)變?yōu)?150W出現(xiàn)在20肋-21肋之間上蒙皮后緣位置；最小主應(yīng)變?yōu)?

10、260科弓出現(xiàn)在18肋79肋之間上蒙皮后緣位置；最大剪應(yīng)變?yōu)?310ds出現(xiàn)在18肋79肋之間上蒙皮后緣位置。圖4為復(fù)合材料襟翼下蒙皮應(yīng)變?cè)茍D，最大主應(yīng)變?yōu)?490科弓出現(xiàn)在19肋M(jìn)0肋之間下蒙皮前緣位置； 最小主應(yīng)變?yōu)?84W出現(xiàn)在15肋76肋之間a最大主應(yīng)變?cè)茍Db）最小主應(yīng)變?cè)茍D圖3復(fù)合材料襟翼上蒙皮應(yīng)變?cè)茍DC）最大剪應(yīng)變?cè)茍Da最大主應(yīng)變?cè)茍Db）最小主應(yīng)變?cè)茍DC）最大剪應(yīng)變?cè)茍D圖4復(fù)合材料襟翼下蒙皮應(yīng)變?cè)茍Da最大主應(yīng)變?cè)茍Db）最小主應(yīng)變?cè)茍DC）最大剪應(yīng)變?cè)茍D圖6斜梁和金屬翼肋平均剪應(yīng)力云圖下蒙皮后緣位置；最大剪應(yīng)變?yōu)?230W出現(xiàn)在19肋-20肋之間下蒙皮前緣位置。圖5為復(fù)合材料肋應(yīng)變?cè)茍D

11、， 最大主應(yīng)變?yōu)?4908出現(xiàn)在20肋前緣位置；最小主應(yīng)變?yōu)?310科弓出現(xiàn)在20肋后緣位置；最大剪應(yīng)變?yōu)?230d馬出現(xiàn)在20肋后緣位置。圖6為斜梁和金屬翼肋平均剪應(yīng)力云圖，最大平均剪應(yīng)力為43.8MPa,出現(xiàn)在16肋77肋之間的斜梁腹板上。總體強(qiáng)度校核Hoffman失效判據(jù)考慮了單層拉壓強(qiáng)度不同的特點(diǎn)，因此本文采用Hoffman失效判據(jù)計(jì)算復(fù)合材料的單層失效系數(shù)。Hoffman失效判據(jù)的表達(dá)式為3：1時(shí)，認(rèn)為該處層合板失效，而當(dāng)某位置F1時(shí)，認(rèn)為該處層合板是安全的。圖7為復(fù)合材料襟翼結(jié)構(gòu)最大失效系數(shù)云圖，上蒙皮最大失效系數(shù)為0.17,出現(xiàn)在18肋79肋之間上蒙皮后緣位置；下蒙皮最大失效系數(shù)為0.129,出現(xiàn)在20肋-21肋之間下蒙皮前緣位置；復(fù)合材料肋最大失效系數(shù)為0.129,出現(xiàn)在20肋前緣位置。本文對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度校核使用最大應(yīng)力準(zhǔn)則。分析結(jié)果見(jiàn)表4，可以看到復(fù)合材料襟翼結(jié)構(gòu)滿足總體強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。表4總體強(qiáng)度校核結(jié)果構(gòu)件強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果校核結(jié)果復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件Hoffman準(zhǔn)則0.171,滿足金屬結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力準(zhǔn)則43.8作者簡(jiǎn)介萬(wàn)建平，男，1962年1月