飛機(jī)復(fù)合材料梁腹板開(kāi)孔對(duì)承載能力的影響

王勝　何勇　張明輝

【摘 要】通過(guò)有限元分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料梁腹板開(kāi)孔對(duì)承載能力的影響進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合。當(dāng)開(kāi)孔孔徑與腹板寬度比不大于0.2時(shí)，開(kāi)孔不需要補(bǔ)強(qiáng)；當(dāng)孔徑與腹板寬度比大于0.2后，開(kāi)孔經(jīng)過(guò)補(bǔ)強(qiáng)后，可以滿足使用要求。

【關(guān)鍵詞】有限元；試驗(yàn)；梁腹板開(kāi)孔；承載能力

0 引言

由于復(fù)合材料輕質(zhì)高性能的材料特點(diǎn)，近年來(lái)復(fù)合材料在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其中A350和B787兩個(gè)機(jī)型尤為突出，復(fù)材結(jié)構(gòu)使用率分別占到了全機(jī)的52%和50%。復(fù)合材料占飛機(jī)結(jié)構(gòu)的比率逐步提高，正成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)采用最重要的材料之一[1]，本文以某型飛機(jī)舵面復(fù)合材料梁作為研究對(duì)象，研究復(fù)合材料梁腹板開(kāi)孔對(duì)承載能力的影響。舵面對(duì)于飛機(jī)的操作穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用，作為舵面的主要結(jié)構(gòu)件，梁以其腹板與蒙皮共同完成對(duì)于扭矩的傳遞，故梁腹板的剪切承載能力在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中很有必要。

1 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，為便于結(jié)構(gòu)檢查，舵梁腹板上開(kāi)有Φ25mm檢查孔，該孔孔徑已接近升降舵梁高度的1/3，但未超過(guò)方向舵對(duì)梁梁高度的1/3，因此考核開(kāi)孔對(duì)梁腹板剪切承載能力的影響時(shí)需對(duì)升降舵梁腹板上的開(kāi)孔需要補(bǔ)強(qiáng)[2]，而方向舵梁腹板上的開(kāi)孔則沒(méi)有補(bǔ)強(qiáng)。在方案設(shè)計(jì)的初步階段，梁腹板厚度尚不能完全確定，因此在試驗(yàn)方案中梁腹板規(guī)劃了兩種厚度，這兩種厚度有可能應(yīng)用于實(shí)際的結(jié)構(gòu)中。

梁結(jié)構(gòu)選型試驗(yàn)包括8組，每組4件共32件試驗(yàn)件。試驗(yàn)考核部位為操懸掛接頭和操縱接頭之間的梁腹板。試驗(yàn)件設(shè)計(jì)為I型梁，考核區(qū)位于梁腹板中間部分。考核區(qū)厚度設(shè)計(jì)為2.16mm和2.592mm，對(duì)應(yīng)的鋪層順序分別為[±45/（0，90）2/±45/（0，90）]s和[（±45）2/（0，90）2/±45/（0，90）]s：與真實(shí)結(jié)構(gòu)趨于一致。非考核區(qū)對(duì)應(yīng)的鋪層順序?yàn)閇（±45）2/（0，90）2/±45/（±45/（0，90））2]s考慮到試驗(yàn)夾持及其他因素設(shè)計(jì)的需要，梁腹板剪切穩(wěn)定性試驗(yàn)的試驗(yàn)件尺寸參數(shù)和梁結(jié)構(gòu)選型試驗(yàn)試驗(yàn)件規(guī)劃見(jiàn)表1。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 加載方式

按照懸臂梁的理論，懸臂梁的梁緣條承受拉壓載荷，腹板承受剪載，試驗(yàn)方應(yīng)采取必要措施確保粱緣條有足夠的強(qiáng)度，以保證梁緣條不會(huì)先于腹板失穩(wěn)。試驗(yàn)加載示意圖見(jiàn)圖2。試驗(yàn)件根部用夾具夾持固定在承力墻上，另一端通過(guò)接頭與液壓作動(dòng)筒連接，施加集中載荷，并在兩側(cè)施加約束，以保證載荷作用點(diǎn)通過(guò)試驗(yàn)件的截面形心。試驗(yàn)結(jié)果如下表3所示。

4 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析得到，試件屈曲載荷的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最大誤差為05組試件，誤差值為7.71%，03組試件為最小誤差組，誤差值為3.3%。

5 結(jié)論

a）分析方法準(zhǔn)確、有效；誤差小于10%，可以滿足型號(hào)設(shè)計(jì)要求；

b）開(kāi)孔不補(bǔ)強(qiáng)比不開(kāi)孔，屈曲載荷下降，破壞載荷下降；當(dāng)孔徑較零件寬度比小于0.2時(shí)不需要補(bǔ)強(qiáng)，反之視結(jié)構(gòu)重要程度進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；

c）開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)比不開(kāi)孔，屈曲載荷提高，破壞載荷下降；開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)后滿足使用要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊乃賓，章怡寧.復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社.

[2]沈真，章怡寧，李新祥.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社.

[責(zé)任編輯：湯靜]