基于超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)的升降舵結(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度分析

歐陽金棟，陳龍，馬俊飛，閆景玉，黃海龍，劉慧慧

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

基于超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)的升降舵結(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度分析

歐陽金棟，陳龍，馬俊飛，閆景玉，黃海龍，劉慧慧

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

隨著航空技術(shù)的進(jìn)步和“矛與盾”進(jìn)一步的深度對抗，飛行器技術(shù)朝著亞聲速巡航飛行器及超音速飛行器快速發(fā)展，因而要求結(jié)構(gòu)零件必須具備耐高溫、高強(qiáng)度、高剛度、質(zhì)量小等特點(diǎn)。本文依據(jù)此特點(diǎn)對應(yīng)用于某超音速飛行器的升降舵基于超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)進(jìn)行選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度分析。計算結(jié)果表明，其安全裕度為1.37，滿足強(qiáng)度設(shè)計要求。

TC4鈦合金；超塑成形/擴(kuò)散連接；升降舵；結(jié)構(gòu)設(shè)計；強(qiáng)度分析

0 引言

亞聲速巡航飛行器及超音速飛行器（含高超聲速巡航飛行器、戰(zhàn)略飛行器）飛行速度大、敏捷度高，彈體結(jié)構(gòu)材料的選型也逐漸趨向于輕量化，如輕質(zhì)的鎂鋁合金、先進(jìn)的復(fù)合材料、輕質(zhì)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)等，輕量化對提高飛行器的作戰(zhàn)效能有極大的影響[1-3]。

超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)是利用某些材料在特定條件下具有極好的變形能力這一特性而發(fā)展起來的一種成形工藝[4-5]。這種組合技術(shù)具有成形性好、設(shè)計自由度大、成形精確、沒有回彈、無殘余應(yīng)力、成形零件性能高等優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)省材料、簡化制造工藝、提高構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度、降低制造成本等方面具有巨大的優(yōu)越性，是航空航天領(lǐng)域重要的制造技術(shù)[6-7]。針對結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的夾層零件，發(fā)展SPF/DB技術(shù)不僅能滿足設(shè)計上的要求，如質(zhì)量輕、剛性大，而且也能滿足工藝上的要求，簡化零件制造過程和構(gòu)件的裝配過程，縮短制造周期、減少手工勞動量和降低成本。

彈翼的功用是產(chǎn)生升力，以支持飛行器在飛行中的重力并提供機(jī)動飛行所需的法向力。由于現(xiàn)代亞聲速巡航飛行器及超音速飛行器彈翼的相對厚度較小而飛行速度較高，在設(shè)計中應(yīng)特別注意彈翼的強(qiáng)、剛度問題[8]。升降舵是飛行器非常關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)零部件，它能夠調(diào)節(jié)飛行器在空中飛行的高度，這個過程主要通過調(diào)節(jié)升降舵旋轉(zhuǎn)角度來控制其上升或下降。為了同時考慮減重及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等問題，合理設(shè)計升降舵的結(jié)構(gòu)則非常重要。本文基于超塑成形/擴(kuò)散連接組合工藝技術(shù)，針對超音速飛行器的鈦合金升降舵結(jié)構(gòu)輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐熱等特殊要求，對其進(jìn)行選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進(jìn)行強(qiáng)度校核，可為以后工程化研制奠定基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

應(yīng)用于某超音速飛行器的升降舵外形是由多個平面拼接而成的、封閉整體結(jié)構(gòu)，安裝邊具有一定高度且分布有安裝孔。安裝孔分布在一定大小的安裝座上，以減緩集中力的作用，保證舵、翼面零件與彈體零件的連接強(qiáng)度、穩(wěn)定性和可靠性。升降舵外形為梯形，翼根弦長285mm，翼尖弦長164mm，展長287mm，翼根最大厚度為15mm，翼尖厚度為8.6mm。其外形尺寸如圖1所示。

圖1 升降舵外形尺寸

根據(jù)超塑性變形機(jī)理，具有細(xì)小的晶粒度和高溫下微細(xì)組織的穩(wěn)定性是超塑性材料的兩個基本特征。α+β型鈦合金是常用的三類鈦合金中最符合要求的一類，其本身具有細(xì)小的晶粒，晶粒尺寸為5～15 μm，并由于其為兩相組織，在高溫下兩相相互制約，使得晶粒難以長大，能夠保持為微細(xì)組織，利于超塑性成形[9]。

航空航天工業(yè)常用的TC4鈦合金即屬于α+β型鈦合金，其具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕等許多優(yōu)良的性能，本文升降舵成形材料擬采用TC4鈦合金。試驗(yàn)材料采用厚度為0.8mm和1mm的TC4板材，TC4主要化學(xué)成分如表1所示。

由于升降舵面具有表面質(zhì)量要求高、對稱性好、承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，適合采用TC4鈦合金四層板，利用SPF/DB組合工藝技術(shù)成形類似蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，四層分別由兩層面板和兩層芯板組成，擬定單層芯板厚度為0.8mm，單層面板厚度為1mm，SPF/DB四層夾層結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

采用SPF/DB工藝制造的零件，其外形由模具型腔保證，內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀（成形后加強(qiáng)筋位置）取決于兩層芯板連接位置，在不改變模具的情況下可任意修改，優(yōu)化的內(nèi)部結(jié)構(gòu)既可以滿足強(qiáng)度要求，又能夠降低工藝難度，因此，優(yōu)化內(nèi)部筋條布置方案也是SPF/DB工藝的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

本文研究的舵體在工作過程中，兩表面最大壓差為0.27MPa，要求舵體在滿足強(qiáng)度要求的情況下，產(chǎn)生的最大剛度位移不大于7mm，升降舵展弦比約為1，根據(jù)此項(xiàng)技術(shù)要求，綜合考慮SPF/DB工藝等實(shí)際情況，適合采用矩形網(wǎng)格式加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，安裝座區(qū)域?yàn)閷?shí)體結(jié)構(gòu)，舵面與轉(zhuǎn)軸采用榫頭+螺接的連接形式裝配。結(jié)構(gòu)上緣及升降舵的前緣均存在實(shí)體結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)剛度。圖3為升降舵立筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后示意。

鑒于超塑成形工藝的特性，立筋結(jié)構(gòu)中需要避免銳角和小腔的出現(xiàn)，前者導(dǎo)致材料成形較困難，容易形成未擴(kuò)散連接的三角區(qū)；后者導(dǎo)致材料延伸率過大，立筋成形質(zhì)量難以保證。因此，在矩形網(wǎng)格式加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對立筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，靠近安裝座區(qū)域，立筋呈放射狀。

表1 TC4鈦合金主要化學(xué)成分

圖2 SPF/DB四層夾層結(jié)構(gòu)示意

圖3 升降舵立筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由安裝座實(shí)體區(qū)域（厚度達(dá)12mm）到蒙皮區(qū)域（厚度僅為2mm）變化較大，為了避免應(yīng)力過度集中，可通過加強(qiáng)片實(shí)現(xiàn)厚度過渡。安裝座加強(qiáng)示意如圖4所示。

圖4 安裝座加強(qiáng)（剖視圖）

2 強(qiáng)度計算

載荷是飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度設(shè)計的主要依據(jù)之一，飛行器從出廠到完成戰(zhàn)斗任務(wù)的整個過程中，始終承受著各種外載荷作用。為了使飛行器結(jié)構(gòu)在整個使用過程中，既能安全可靠地工作又要使結(jié)構(gòu)重量最輕，結(jié)構(gòu)設(shè)計時則首先必須正確確定外載荷。

本文對該升降舵進(jìn)行強(qiáng)度計算，根據(jù)升降舵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，除上、下蒙皮、橫向加強(qiáng)筋、縱向加強(qiáng)筋采用Shell單元模擬外，其他均采用Solid單元模擬。根據(jù)升降舵的氣動載荷要求對升降舵施加載荷，升降舵加載點(diǎn)及載荷如圖5所示。根據(jù)升降舵的受力特點(diǎn)，對升降舵接頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行固支約束。

升降舵在飛行過程中最高溫度可能達(dá)到400℃，材料TC4鈦合金在400℃時的高溫力學(xué)性能已通過靜力拉伸試驗(yàn)獲得，其力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

考慮到該升降舵由超塑成形/擴(kuò)散連接組合工藝技術(shù)制造，TC4鈦合金材料強(qiáng)度極限在一定程度上會下降10%，在進(jìn)行強(qiáng)度計算時應(yīng)加以考慮，升降舵位移和升降舵應(yīng)力計算結(jié)果如圖6、圖7所示。從位移云圖顯示最大位移變形為3.21mm，符合要求；而從應(yīng)力云圖可以看出最大應(yīng)力為224MPa，同樣符合要求。

圖5 升降舵加載點(diǎn)示意圖

表2 材料力學(xué)性能參數(shù)

圖6 升降舵位移云圖（最大位移3.21mm）

圖7 升降舵應(yīng)力云圖（最大應(yīng)力224MPa）

升降舵進(jìn)行了有限元強(qiáng)、剛度計算，計算結(jié)果見表3，安全裕度為1.37，根據(jù)《飛航飛行器強(qiáng)度和剛度規(guī)范總則》（國內(nèi)某技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)540.1-1988），重要連接件的安全裕度為0.25，所以升降舵是滿足強(qiáng)度設(shè)計要求的。

表3 升降舵強(qiáng)度計算結(jié)果

3 結(jié)論

1)升降舵采用矩形網(wǎng)格式加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，靠近安裝座區(qū)域，立筋呈放射狀。安裝座區(qū)域?yàn)閷?shí)體結(jié)構(gòu)，舵面與轉(zhuǎn)軸采用榫頭+螺接的連接形式裝配。結(jié)構(gòu)上緣及方向舵的前緣均存在實(shí)體結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)剛度。

2)強(qiáng)度模擬計算顯示：最大變形為3.21mm，最大應(yīng)力為224MPa，安全裕度為1.37，符合操縱面結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

[1]張聘義,強(qiáng)濤,翁曉東.巡航飛行器現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].紅外與激光工程,2006,35(增刊)：28-34.

[2]胡濤.巡航飛行器的發(fā)展趨勢[J].飛航飛行器,2002,(6)：5-8.

[3]劉牧川,鄒暉,程鳳舟.國外空射型反艦飛行器研制現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].飛航飛行器,2014,(2)：13-16.

[4]李志強(qiáng),郭和平.超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù),2005,30(1)：79-81.

[5]吳詩惇.金屬超塑性變形理論[M].北京：國防工業(yè)出版社,1997：13-18.

[6]Li Z Q,Li X H.The application of SPF/DB combined welding technologies[J].Materials Science Forum,2007,511/512：49-54.

[7]Larry D H.Innovation in the superplastic forming and diffusion bonding process[J].Materials Engineering and Performance,2008,17(2)：178-182.

[8]張波.空面飛行器系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社,2013：100-175.

[9]李梁,孫建科,孟祥軍.鈦合金超塑性研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2004,19(6)：34-38.

>>>作者簡介

歐陽金棟，男，1989年1月出生，2012年畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，碩士，現(xiàn)從事結(jié)構(gòu)設(shè)計、超塑成形/擴(kuò)散連接工藝工作。

Elevator Structure Design and Strength Analysis Based on SPF/DB Technique

Ouyang Jindong,Chen Long,Ma Junfei,Yan Jingyu,Huang Hailong,Liu Huihui
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

With the progress of aircraft technology and deep contradictious confrontation,the aircraft technology is developing fast towards the subsonic cruising aircraft and ultrasonic aircraft;thus it is required structural parts must be designed with features of high-temperature resistance,high strength and rigidity,and small mass.According to these features,the paper presents material selection,structural design and strength analysis for the elevator of a type ultrasonic aircraft based on SPF/DB technique.The calculation result shows the safety margin is 1.37,meeting the strength design requirements.

TC4 titanium alloy;SPF/DB;elevator;structural design;strength analysis

2016-01-26）