中央翼下壁板金屬和復(fù)合材料設(shè)計(jì)方案對(duì)比

中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 袁新浩 葛建彪

目前飛機(jī)上復(fù)合材料的應(yīng)用比例已經(jīng)成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度大、成型工藝性好及剛度方向的可設(shè)計(jì)等性能。對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的區(qū)別，尤其在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上的介紹，較少見(jiàn)諸于各類學(xué)術(shù)期刊。

復(fù)材方案和金屬方案在設(shè)計(jì)、制造、成本和周期等各方面都有很多差別，本文結(jié)合民用飛機(jī)中央翼下壁板的設(shè)計(jì)過(guò)程，在相同的設(shè)計(jì)依據(jù)和結(jié)構(gòu)環(huán)境下，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比。

設(shè)計(jì)依據(jù)

中央翼下壁板的設(shè)計(jì)依據(jù)主要有：總體要求（包括理論外形和重量指標(biāo)等）、適航條款、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料選用規(guī)范、維修性可靠性、系統(tǒng)協(xié)調(diào)、安全性、設(shè)計(jì)載荷等。

結(jié)構(gòu)環(huán)境

1 中央翼結(jié)構(gòu)方案

民用飛機(jī)中央翼位于機(jī)身和機(jī)翼交匯處，是中央油箱的一部分，如圖1所示。

展向梁式的中央翼一般由上壁板、下壁板、前梁、后梁、1號(hào)展向梁、2號(hào)展向梁和左右1號(hào)肋組成，如圖2所示。

2 中央翼下壁板主要載荷

下壁板由蒙皮和長(zhǎng)桁組成，作為中央翼結(jié)構(gòu)的一部分參與中央翼結(jié)構(gòu)的整體受力，其承受的主要載荷如下。

（1）外翼傳來(lái)的彎矩：在2.5g工況下，下壁板受拉；-1g工況下，下壁板受壓。主要通過(guò)自己的變形來(lái)平衡。

（2）外翼傳來(lái)的扭矩：在下壁板表現(xiàn)為剪流，一部分通過(guò)1號(hào)肋和前后梁傳到機(jī)身框上；另一部分傳到龍骨梁。

（3）此外還有應(yīng)急著陸時(shí)的油壓載荷、翼下系統(tǒng)設(shè)備的面外載荷等。

圖1 中央翼位置示意圖

圖2 中央翼結(jié)構(gòu)示意圖

詳細(xì)方案

1 復(fù)合材料下壁板方案

（1）結(jié)構(gòu)布置。

復(fù)合材料下壁板由1塊蒙皮、15根長(zhǎng)桁、12塊連接帶板、2根龍骨梁緣條組成。普通長(zhǎng)桁為“工”形，和展向梁連接的長(zhǎng)桁為“T”形，如圖3所示。

（2）結(jié)構(gòu)選材。

蒙皮選用碳纖維預(yù)浸料，表面鋪設(shè)玻璃布；長(zhǎng)桁選用碳纖維預(yù)浸料；龍骨梁緣條選用7000系列O態(tài)鋁合金。

（3）設(shè)計(jì)參數(shù)。

復(fù)合材料壁板具體的鋪層設(shè)計(jì)除滿足一般的鋪層設(shè)計(jì)要求外，還要考慮長(zhǎng)桁和蒙皮的受力特點(diǎn)；表面防護(hù)、剔層設(shè)計(jì)、翹曲等；最終長(zhǎng)桁和蒙皮采用對(duì)稱均衡鋪層。

2 金屬材料下壁板方案

（1）結(jié)構(gòu)布置。

金屬材料下壁板由2塊蒙皮、15根長(zhǎng)桁、2根龍骨梁緣條組成。蒙皮分為2塊，普通長(zhǎng)桁為“工”形，和展向梁連接的長(zhǎng)桁為“T”形。金屬下壁板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（2）結(jié)構(gòu)選材。

蒙皮和長(zhǎng)桁選用2000系列鋁合金；龍骨梁緣條選用7000系列O態(tài)鋁合金。

（3）設(shè)計(jì)參數(shù)。

蒙皮分為基本厚度區(qū)和厚度加強(qiáng)區(qū)，厚度變化體現(xiàn)在基本厚度區(qū)，從前梁到后梁均勻變化，加強(qiáng)區(qū)統(tǒng)一加厚一定厚度。

方案對(duì)比

1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

圖3 復(fù)合材料下壁板結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 金屬材料壁板結(jié)構(gòu)示意圖

（1）金屬方案設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

金屬方案中央翼下壁板設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要是靜強(qiáng)度和疲勞。主要破壞形式：蒙皮長(zhǎng)桁組合剖面拉伸破壞、蒙皮失穩(wěn)、釘孔擠壓破壞及釘剪切破壞等。

（2）復(fù)材方案設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

復(fù)材方案中央翼下壁板設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要是復(fù)合應(yīng)變控制和靜強(qiáng)度。復(fù)合應(yīng)變?cè)６龋浩渲校?x、ε y分別為x、y方向的拉伸應(yīng)變，[ε]為許用拉伸應(yīng)變，γxy為xy平面的剪切應(yīng)變，[γ]為許用剪切應(yīng)變。主要破壞形式：復(fù)合應(yīng)變失效、長(zhǎng)桁拉伸破壞、長(zhǎng)桁失穩(wěn)、釘孔擠壓破壞及釘剪切破壞等。

2 載荷分布特點(diǎn)

金屬方案和復(fù)材方案的結(jié)構(gòu)傳力路線相同，下壁板載荷的分布趨勢(shì)一致。圖5是復(fù)材方案2.5g工況的VON MISES應(yīng)力分布圖，應(yīng)力最大的位置為后梁連接區(qū)、2號(hào)展向梁與蒙皮連接區(qū)。

兩種方案的不同點(diǎn)：

（1）金屬方案中蒙皮分塊，對(duì)接長(zhǎng)桁除了承受拉壓載荷外，還要傳遞蒙皮的航向剪流；

圖5 2.5g工況的VON MISES應(yīng)力分布

（2）由于復(fù)合材料油箱的防滲漏要求——油箱界面厚度不能低于4mm，所以蒙皮在1號(hào)展向梁和前梁之間應(yīng)力較小，裕度較大。

3 工藝性

3.1 成型方法不同

（1）復(fù)材方案：干長(zhǎng)桁/濕蒙皮共膠接成型。

（2）金屬方案：蒙皮噴丸成形，長(zhǎng)桁型材機(jī)加成形，長(zhǎng)桁和蒙皮通過(guò)緊固件連接。

3.2 蒙皮的加強(qiáng)區(qū)域不同

（1）復(fù)材方案加厚區(qū)在內(nèi)表面和外表面為光滑曲面。原因?yàn)楦砷L(zhǎng)桁/濕蒙皮共膠接成型方式，要求蒙皮外表面為鋪貼面。將加厚區(qū)布置在內(nèi)表面，保證蒙皮的外表面光順，可以使模具更簡(jiǎn)單，進(jìn)而提高鋪貼工藝性，提高鋪貼質(zhì)量。

（2）金屬方案內(nèi)表面為光滑曲面，外表面為機(jī)加面。原因?yàn)槊善?nèi)表面是和長(zhǎng)桁連接的貼合面，保證內(nèi)表面的光順，有利于簡(jiǎn)化長(zhǎng)桁的形狀，減小長(zhǎng)桁和蒙皮的連接間隙，減小強(qiáng)迫裝配應(yīng)力。

3.3 龍骨梁連接區(qū)加強(qiáng)方式不同

（1）復(fù)材方案中，龍骨梁連接區(qū)蒙皮不加厚。因長(zhǎng)桁和蒙皮共膠結(jié)，可視為整體共同承擔(dān)連接載荷，在連接區(qū)長(zhǎng)桁局部加寬，形成加厚區(qū)，如圖6所示。

圖6 長(zhǎng)桁在龍骨梁連接區(qū)局部加寬

（2）金屬方案中，龍骨梁連接區(qū)蒙皮在外表面局部加厚，如圖7所示。

3.4 1號(hào)肋連接區(qū)設(shè)計(jì)不同

（1）蒙皮在1號(hào)肋連接區(qū)加厚的方向和原因不同。金屬方案中加厚在外表面，主要是降低應(yīng)力水平，提高連接區(qū)疲勞壽命；而復(fù)材方案中加厚在內(nèi)表面，主要是考慮混雜結(jié)構(gòu)連接時(shí)的熱應(yīng)力。

（2）復(fù)合材料方案中增加了連接帶板。外翼下壁板為金屬材料，中央翼下壁板為復(fù)合材料，外翼和中央翼的下壁板從前梁到后梁厚度不同，變化梯度也不同，如不加連接帶板，1號(hào)肋下緣條的形狀會(huì)比較復(fù)雜，工藝性差。通過(guò)調(diào)節(jié)連接帶板厚度，可調(diào)節(jié)中央翼一側(cè)的厚度變化趨勢(shì)，改善1號(hào)肋下緣條的工藝性。同時(shí)連接帶板作為犧牲層，可以起到調(diào)節(jié)裝配間隙的作用，還可以對(duì)長(zhǎng)桁端頭的填縫密封起輔助作用。

4 數(shù)據(jù)的建模思路

零件的建模必須考慮成型工藝。金屬零件的建模不用考慮零件的內(nèi)部情況，但復(fù)材零件建模則需要考慮零件內(nèi)部鋪層情況，特別是厚度過(guò)渡區(qū)。

復(fù)材零件在成型后一般只對(duì)輪廓進(jìn)行機(jī)加，或者開(kāi)孔，除犧牲層外厚度方向不進(jìn)行機(jī)加。以常見(jiàn)的斜削特征為例，要獲得圖8所示帶斜削特征的一個(gè)零件，金屬零件只要按照?qǐng)D9所示將長(zhǎng)方體毛料的紅色部分機(jī)加掉即可。但如果復(fù)材零件也使用同樣方法則會(huì)導(dǎo)致斜削區(qū)鋪層斷裂，容易出現(xiàn)表面分層，機(jī)加后的內(nèi)部鋪層如圖10所示。正確的做法是直接鋪出帶斜削特征的零件，正確的鋪層之一如圖11所示。

金屬蒙皮的建模方法：根據(jù)蒙皮的受力特點(diǎn)將蒙皮的實(shí)體分為基本厚度區(qū)和連接加厚區(qū)。采用布爾運(yùn)算生成最終的實(shí)體；通過(guò)倒斜角、倒圓角等方法進(jìn)行過(guò)渡。

圖7 蒙皮在龍骨梁連接區(qū)局部加厚

圖8 帶斜削特征的目標(biāo)零件

圖9 金屬零件機(jī)加方法

圖10 復(fù)材零件機(jī)加后內(nèi)部鋪層

圖11 正確的復(fù)材零件內(nèi)部鋪層

復(fù)材蒙皮的建模方法如圖12和圖13所示的下壁板蒙皮，厚度區(qū)域分布復(fù)雜，不同厚度區(qū)之間的過(guò)渡區(qū)更加復(fù)雜，用金屬蒙皮的方法建模非常困難。一個(gè)比較好的方法是使用鋪貼面沿著法向生成一個(gè)比較厚的實(shí)體，然后用FIBERSIM軟件生成蒙皮的內(nèi)形面（本質(zhì)上是各個(gè)單層實(shí)體堆積疊加形成的實(shí)體表面）來(lái)切割，得到最終的實(shí)體。

5 結(jié)構(gòu)連接和緊固件應(yīng)用

圖12 下壁板蒙皮鋪層情況

圖13 下壁板蒙皮厚度過(guò)渡區(qū)細(xì)節(jié)

（1）異電位材料連接時(shí)防止電化腐蝕的方法不同。金屬結(jié)構(gòu)主要措施是對(duì)金屬零件進(jìn)行氧化等表面處理，而復(fù)材結(jié)構(gòu)則通常采用隔離措施，在復(fù)合材料零件表面鋪設(shè)一層絕緣的玻璃布。

（2）緊固件選用、制孔方法、安裝方法均不同。

6 系統(tǒng)支架的安裝

復(fù)材方案：復(fù)材結(jié)構(gòu)對(duì)面外載荷更敏感，面外載荷容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部分層；開(kāi)孔的應(yīng)力集中更明顯，但復(fù)材的工藝性又導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)更困難。所以復(fù)材方案中系統(tǒng)接頭主要安裝在長(zhǎng)桁和蒙皮連接處，和蒙皮、長(zhǎng)桁共釘。系統(tǒng)接頭、長(zhǎng)桁、蒙皮的位置關(guān)系如圖14所示。

金屬方案：金屬結(jié)構(gòu)中接頭一般也安裝在長(zhǎng)桁和蒙皮連接處，和蒙皮、長(zhǎng)桁共釘。僅連接蒙皮的接頭位置，蒙皮上緊固件孔需要進(jìn)行開(kāi)鋒襯套冷擠壓加強(qiáng)。系統(tǒng)接頭、長(zhǎng)桁、蒙皮的位置關(guān)系如圖15所示，紅色框中的緊固件孔為需要冷擠壓加強(qiáng)的緊固件孔。

7 重量

7.1 重量概況

圖14 復(fù)材方案接頭、長(zhǎng)桁、蒙皮的位置關(guān)系圖

圖15 金屬材料結(jié)構(gòu)接頭和長(zhǎng)桁、蒙皮的位置關(guān)系圖

表1 復(fù)合材料方案和金屬方案重量對(duì)比%

表2 金屬方案和復(fù)材方案對(duì)比

復(fù)材方案和金屬方案的重量對(duì)比概況如表1所示。

7.2 重量分析

（1）長(zhǎng)桁的減重比例明顯高于蒙皮。復(fù)合材料長(zhǎng)桁之所以減重比例高，是因?yàn)殚L(zhǎng)桁的鋪層限制條件少，鋪層中0°比例很高，充分發(fā)揮了CFRP比彈性模量高的優(yōu)勢(shì)。

（2）復(fù)材方案中龍骨梁緣條的重量比金屬方案的重。復(fù)材結(jié)構(gòu)連接時(shí)，主要是因?yàn)榫o固件邊距和間距比金屬結(jié)構(gòu)大。

8 環(huán)境影響

溫度、濕度、閃電等自然環(huán)境對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)的影響不同。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)使用溫度限制嚴(yán)格，力學(xué)性能受濕度影響大，需在材料許用值里進(jìn)行考慮。復(fù)材結(jié)構(gòu)是不良導(dǎo)體，不能作為導(dǎo)電通路，閃電防護(hù)相對(duì)困難。

9 適航

與金屬方案相比，復(fù)材方案要滿足FAA咨詢通報(bào)AC20-107B：

（1）復(fù)材方案在工藝控制、閃電防護(hù)、燃油防火等方面的要求比金屬方案嚴(yán)格很多；

（2）復(fù)材結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行積木式試驗(yàn)，技術(shù)復(fù)雜，耗時(shí)漫長(zhǎng)。

10 討論

通過(guò)以上的分析，將兩個(gè)方案的對(duì)比結(jié)論歸納如表2所示。

結(jié)束語(yǔ)

復(fù)合方案和金屬方案相比，具有重量輕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，更多的采用復(fù)材方案是未來(lái)飛機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)；但目前面臨著材料穩(wěn)定性、膠結(jié)質(zhì)量、零件成型精度、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、熱應(yīng)力分析、維修維護(hù)、生產(chǎn)成本和進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)等一系列挑戰(zhàn)，還需要進(jìn)一步的技術(shù)攻關(guān)。