某型機后機身整流結(jié)構(gòu)采用復材結(jié)構(gòu)方案研究

楊艷萍，盧維富，高永強，李善勛，劉偉

(中航工業(yè)洪都，江西南昌，330024)

某型機后機身整流結(jié)構(gòu)采用復材結(jié)構(gòu)方案研究

楊艷萍，盧維富，高永強，李善勛，劉偉

(中航工業(yè)洪都，江西南昌，330024)

針對某型飛機后機身尾部整流結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的問題，提出了將該整流結(jié)構(gòu)中的部分零組件采用復合材料的結(jié)構(gòu)方案，詳細闡述了結(jié)構(gòu)成型方案的選擇過程及具體的細節(jié)鋪層設(shè)計。經(jīng)過強度分析和重量評估表明，該復材結(jié)構(gòu)既能滿足強度要求，還能達到減重和提高外形質(zhì)量的目的。

后機身整流結(jié)構(gòu)；復材結(jié)構(gòu)

0 引言

后機身尾部整流結(jié)構(gòu)裝配于機身末端框后，主要用于將垂尾根部的氣流引導至兩機尾罩之間，增加機尾罩之間氣流的能量、減少氣流分離，達到消減后體振動、改善飛行品質(zhì)的目的。該整流結(jié)構(gòu)在實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了一些問題，本文從提高零件外形質(zhì)量、減小重量的角度提出將部分結(jié)構(gòu)由金屬改為復合材料的設(shè)計方案。

1 尾部整流結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

后機身尾部整流結(jié)構(gòu)為鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)，主要由隔板、尾緣條、封嚴板、唇口、蒙皮、加強筋和后體吹風內(nèi)管道等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中引導氣流的功能主要由后體吹風內(nèi)管道完成，內(nèi)管道前端通過唇口與前端隔板相連，末端固定在尾端隔板上，如圖2所示。

圖1 后機身尾部整流結(jié)構(gòu)

內(nèi)管道為鋁合金焊接結(jié)構(gòu)（如圖3所示），飛行過程中主要承受管道內(nèi)部的氣動載荷，因外形復雜而存在焊縫可達性差、焊接變形大等問題，導致裝配時需要按架配制，不利于飛機批量生產(chǎn)。因此有必要對該結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以提高內(nèi)管道的工藝性和生產(chǎn)效率。

圖2 內(nèi)管道與唇口結(jié)構(gòu)（圖形增加前后端隔板）

圖3 內(nèi)管道鋁合金焊接結(jié)構(gòu)

針對后機身尾部整流結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，考慮采用復合材料尾部整流結(jié)構(gòu)，即后體吹風內(nèi)管道和唇口采用復合材料結(jié)構(gòu)，而其余組成仍保留金屬結(jié)構(gòu)。

在某型無人機的進氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用了玻璃鋼成型結(jié)構(gòu)[1]，通道采用帶芯軸的可拆卸的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料陽模手糊成型，唇口、端口采用模壓成形，通道與唇口、端口及安裝連接件在多個定位裝置的裝配夾具上糊為一體，實現(xiàn)整體成型。從而獲得了外觀好、內(nèi)型面光滑、結(jié)構(gòu)尺寸符合設(shè)計要求、與油箱裝配協(xié)調(diào)的進氣道[2]。

根據(jù)復合材料結(jié)構(gòu)進氣道已有的設(shè)計、生產(chǎn)經(jīng)驗，后體吹風內(nèi)管道和唇口能夠采用復合材料結(jié)構(gòu)，以解決目前在批產(chǎn)中存在的問題。

2 復材結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)內(nèi)管道的結(jié)構(gòu)特點和受力情況，并考慮生產(chǎn)的經(jīng)濟性和工藝性，擬選用已廣泛應用的玻璃纖維進行制造，其中內(nèi)管道采用分塊成型后二次膠結(jié)，唇口采用模壓成型。

2.1 內(nèi)管道的結(jié)構(gòu)方案

內(nèi)管道承力較小，主要承受氣動載荷，以受壓為主，并承受一定的沖擊。內(nèi)管道結(jié)構(gòu)形式復雜，同時，為了滿足氣動要求，內(nèi)管道主體內(nèi)型面必須光滑，且產(chǎn)品不允許拼接。

2.1.1 選材

選材原則：

1）在滿足結(jié)構(gòu)完整性要求下盡量選用經(jīng)濟適用的材料；

2）在滿足使用要求的前提下，盡量選用工藝性成熟的材料；

3）所選材料應滿足結(jié)構(gòu)使用環(huán)境要求等。

根據(jù)以上原則，并結(jié)合生產(chǎn)實際，內(nèi)管道選材EW210/J-4玻璃布。

2.1.2 結(jié)構(gòu)成型方案選擇

要滿足內(nèi)管道的氣動表面質(zhì)量要求，內(nèi)管道產(chǎn)品必須采用陽模整體成型。但若采用整體成型，由于內(nèi)管道外形復雜，兩端截面形狀差別很大，無法脫模。

目前能滿足內(nèi)管道玻璃鋼結(jié)構(gòu)的成型模具方案有：金屬模具剪開脫模成型、金屬活塊組合式模具成型、氣囊模具成型以及水溶性模具成型[3]。

1）金屬模具剪開脫模成型

金屬模具成型是最為傳統(tǒng)的一種復合材料產(chǎn)品成型方案。考慮內(nèi)管道外形結(jié)構(gòu)復雜不易脫模及經(jīng)濟效益，復合材料內(nèi)管道不宜整體成型，故采用順氣流方向分開構(gòu)型，左右兩部分分開成型后通過一定方法粘接在一起。

剪開脫模方案：左右兩部分分別成型后在適當位置切開脫模，脫模后在切開部位通過玻璃布硬膠接連接。此方案操作較簡單、易于實施。但缺點是零件整體性較差。

2）金屬活塊組合式模具成型

各活塊內(nèi)型在不影響模具結(jié)構(gòu)強度的情況下作減重處理，各活塊間采用螺釘、定位銷等連接形式從內(nèi)壁與中心軸連接，從而便于產(chǎn)品脫模時將活塊按一定脫模次序逐塊脫出。同時還需設(shè)計輔助支架以滿足模具本身裝配、拆解以及產(chǎn)品轉(zhuǎn)動鋪層需要。

該方案特點：

（1）模具設(shè)計復雜，設(shè)計和制造周期長、成本高；

（2）模具型面精度高，但脫模復雜；

（3）適用于批量生產(chǎn)；

（4）產(chǎn)品內(nèi)型面精度高，表面光潔度高。

3）氣囊模具成型

氣囊模具成型基本流程：

（1）在上下模中按產(chǎn)品設(shè)計要求鋪層；

（2）在已經(jīng)鋪好的復合材料預浸料的下模中放置氣囊，將上下模以及帶一定氣壓的氣囊芯模組合裝配到位；

（3）在模具外制作完整真空袋，使整套模具的內(nèi)外壓力均衡后，在熱壓罐中加溫加壓進行固化。

氣囊模具方案特點：

（1）模具設(shè)計較復雜，制造周期較長，成本較高；

（2）模具上下模及由上下模成型制作的氣囊芯模型面精度要求較高；

（3）上下模一般采用金屬模制作，氣囊芯模可采用硅膠制作，硅膠制作的芯模壽命較短，適用于小批生產(chǎn)；

（4）外形面精度較高，內(nèi)型面梢差；

（5）成型質(zhì)量高。

4）水溶性模具成型

水溶性模具是近年來發(fā)展起來的一種模具制造方法，主要用于解決復雜型面封閉結(jié)構(gòu)復合材料產(chǎn)品成型和難于脫模的問題。水溶性模具成型的基本流程：

（1）根據(jù)復合材料產(chǎn)品的技術(shù)要求，選用合適的水溶性材料，經(jīng)過配料、預成型、干燥、數(shù)控加工、表面處理等步驟完成水溶性模具制造；

（2）根據(jù)產(chǎn)品成型工藝方案完成復合材料產(chǎn)品的鋪貼和固化成型；

（3）采用一定方式將水溶性模具用水溶解掉，完成復合材料產(chǎn)品脫模。

水溶性模具方案特點：

（1）模具設(shè)計簡單，且制造周期短，成本低；

（2）模具預成型后采用數(shù)控加工型面，數(shù)控加工完成后，對模具型面進行表面光潔度處理，精度較高；

（3）模具完成一件產(chǎn)品后必須溶于水來實現(xiàn)脫模，屬一次性模具，適用于研發(fā)階段的產(chǎn)品試制及單件生產(chǎn)。

通過對以上四種不同類型復合材料產(chǎn)品模具方案進行分析和對比后，得出了四種模具脫模方案各自的優(yōu)缺點，對比如表1所示。

由以上四種模具成型方案優(yōu)缺點對比結(jié)果，同時結(jié)合生產(chǎn)實際，選擇內(nèi)管道采用玻璃布預浸料鋪貼、金屬模具成型后沿順氣流方向剪開脫模的方案。

表1 四種模具脫模方案的優(yōu)缺點對比

2.1.3 結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計

在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計時，需要遵循以下原則[4]：

1）保證結(jié)構(gòu)強度及剛度要求；

2）提高零件的整體性，減少零件數(shù)量；

3）考慮工藝成型、脫模難度、成本等因素。

根據(jù)上述原則，結(jié)合現(xiàn)裝機的內(nèi)管道結(jié)構(gòu)形式，考慮內(nèi)管道外形結(jié)構(gòu)復雜不易脫模及經(jīng)濟效益，復合材料內(nèi)管道不宜整體成型，故采用順氣流方向分開構(gòu)型，左右兩部分管道分別成型后采用二次膠接連接，并在端頭連接區(qū)域鋪貼4層玻璃布加強連接。左右兩部分按圖4所示位置采用切開脫模，之后在切開部位通過玻璃布膠接，并在管道外側(cè)鋪貼寬度約20mm的玻璃布，作為加強筋，以增加結(jié)構(gòu)剛度。

圖4 內(nèi)管道復合材料結(jié)構(gòu)

鋪層設(shè)計的一般原則：

1）有效傳力：鋪層設(shè)計應考慮結(jié)構(gòu)能最有效、最直接地傳遞給定方向外載荷，以提高承載能力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗沖擊損傷能力；

2）以受拉壓為主的構(gòu)件，應以0°鋪層居多為宜；以受剪為主的構(gòu)件應以±45°鋪層居多為宜；從穩(wěn)定性和耐沖擊觀點，層壓板外表面宜選用±45°鋪層；

3）為了簡化設(shè)計分析與工藝，通常采用四個方向鋪層，即0°、±45°、90°鋪層。

內(nèi)管道承力較小，主要承受氣動載荷，以受壓為主，并承受一定的沖擊。根據(jù)鋪層設(shè)計一般原則及內(nèi)管道的載荷特點布置鋪層，鋪層設(shè)計如圖5所示。

圖5 內(nèi)管道鋪層示意

詳細鋪層過程設(shè)計如下：

1）內(nèi)層鋪貼及固化：在陽模上鋪貼四層EW210玻璃布整布：里面兩層采用對接形式，且兩層對接位置在同一處，即位于內(nèi)膽切開脫模位置；外面兩層分別鋪貼至距切開縫兩側(cè)50-60、70-80mm的間隙，每層玻璃布上均勻的涂刷J-4膠。

2）內(nèi)膽脫模、拼接：在圖4所示位置切開脫模，切開前在切面處做好標記。脫模后將內(nèi)膽切開處對合，對齊切開前的標記，內(nèi)表面用雙面膠帶固定。在對合縫外表面鋪貼4層EW210玻璃布，與內(nèi)膽外兩層搭接，搭接寬度為40~50mm，在每層玻璃布上涂刷J-4膠，固定好對接縫。

3）加強層鋪貼：在距尾部端口約150mm處鋪貼4層寬度約20mm的玻璃布，作為新增加強筋，以增加復材結(jié)構(gòu)強度。

4）左右膠接：左右兩部分完成后，用J-4膠連接。并在圖4所示的連接區(qū)域鋪貼4層EW210玻璃布加強連接。

2.1.4 重量變化

原鋁合金焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)管道重量為0.71kg，現(xiàn)復材內(nèi)管道重量為0.396kg，重量減輕了44%。零件具體重量變化如表2所示。

2.1.5 強度分析

2.1.5.1 有限元模型

根據(jù)內(nèi)管道結(jié)構(gòu)采用殼元建立有限元細節(jié)模型，在有限元細節(jié)模型上施加氣動載荷，在模型兩端約束x、y、z三個方向的平動位移。有限元模型見圖6所示。

表2 后體吹風內(nèi)管道前后重量對比

圖6 內(nèi)管道有限元細節(jié)模型

2.1.5.2 強度校核

根據(jù)計算結(jié)果，內(nèi)管道復合材料玻璃布壁板失效云圖見圖7、圖8所示。最大失效系數(shù)為0.128，對應載荷情況L04，小于1，因此，復合材料玻璃布單層不會失效。

經(jīng)模擬計算，復合材料內(nèi)管道玻璃布壁板最大拉應變?yōu)?720με（載荷情況：Y10），最大壓應變?yōu)?150με（載荷情況：L04），最大剪應變?yōu)?290με（工況L08）。

玻璃鋼的許用應變?yōu)椋豪鞈?000με，壓縮應變4000με，剪切應變6000με。對應的剩余系數(shù)分別為1.84、1.27、2.62，結(jié)果均大于1，滿足設(shè)計要求。

2.2 唇口復材結(jié)構(gòu)設(shè)計

唇口受力很小，氣動載荷及沖擊均較小。唇口零件較小，且截面有一定的厚度變化，所以采用模壓成型。

2.2.1 選材

對于模壓成型材料的選擇，除了考慮它的物理、力學性能以外，還應考慮工藝性能。根據(jù)已有設(shè)計經(jīng)驗，唇口選擇選材EW210/J-4。

圖7 L04載荷情況玻璃布壁板單層失效云圖

圖8 Y10載荷情況玻璃布壁板單層失效云圖

2.2.2 結(jié)構(gòu)成型方案及工藝過程

壓膜采用鋼材制作，模腔的型面必須符合零件圖樣要求，表面粗糙度Ra值應小于1.6μm。根據(jù)材料吸收率確定模腔尺寸的放大量。模具上設(shè)有加熱裝置，陰模及陽模的溫度應盡量均勻一致。在陰模及陽模的適當位置開測溫孔。設(shè)置加料腔及必要的脫模機構(gòu)。

為避免制品疏松，盡可能一次將料加完。料在模具內(nèi)預熱，在低于常規(guī)壓制溫度10～20℃的情況下加壓。保壓一段時間后，上升至最終的固化溫度并保持到所規(guī)定的時間。趁熱脫模，并在模具內(nèi)緩慢地冷卻，以防變形。

2.3 重量變化

零件重量變化如表3所示，復材唇口單件重量減輕36%。

表3 唇口前后重量對比

3 結(jié)語

本文研究了后機身整流結(jié)構(gòu)中部分零件復合材料方案，其中內(nèi)管道采用剪開脫模、鋪貼成型工藝，唇口采用模壓成型。經(jīng)評估，后機身整流結(jié)構(gòu)復材結(jié)構(gòu)方案滿足強度設(shè)計要求及工藝要求；其中內(nèi)管道零件重量減輕44%，唇口單件零件重量減輕36%，達到了零件減重效果，且提高了零件外形精度。

[1]曲建東，馮暉，李進等.基于復合材料的直升機發(fā)動機進氣道構(gòu)型的應用與研究[J].制造技術(shù)，2009（增刊）：56-63.

[2]鄭惠姒.玻璃鋼進氣道成型工藝[J].宇航材料工藝，1993（1）：14-17.

[3]楊鐵江，張明，張劍.復合材料進氣道的模具設(shè)計及工藝方案研究[J].玻璃鋼/復合材料，2011(6)：57-59.

[4]沈真.復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

>>>作者簡介

楊艷萍，女，1987年出生，2013年畢業(yè)于北京科技大學，碩士，工程師，現(xiàn)從事飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

Program Study on Fairing Structure of Rear Fuselage on an Aircraft Adopting Composite Structure

Yang Yanping,Lu Weifu,Gao Yongqiang,Li Shanxun，Liu Wei
(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)

Concerning the problem appeared on fairing structure of rear fuselage on an aircraft,this paper holds the opinion of using composite structure plan for some parts and assemblies among the fairing structure.It depicts the selection process of structure forming program and the detailed lamination design.Strength analysis and weight estimation show that this composite structure can not only satisfy the strength requirement but also the purpose of improving the profile quality.

Fairing structure of rear fuselage;Composite structure

2016-07-06）