復(fù)合材料平尾懸掛框設(shè)計(jì)

葉 軍

自從碳纖維復(fù)合材料在1960年被應(yīng)用以來(lái)，因其具有優(yōu)異的性能而廣泛用于軍用飛機(jī)。碳纖維復(fù)合材料，由于其優(yōu)異的性能用在飛機(jī)主結(jié)構(gòu)上與相類似的金屬結(jié)構(gòu)比較減重達(dá)20%～30%[1-2].

對(duì)于機(jī)身平尾懸掛框來(lái)說(shuō)承受比較大的集中載荷（平尾載荷），要采用復(fù)合材料也面臨較大的困難。平尾懸掛框主要功能包括三方面：（1）為平尾轉(zhuǎn)軸提供支持；（2）作為平尾開(kāi)口的后端框，承擔(dān)開(kāi)口加強(qiáng)及擴(kuò)散載荷的作用；（3）為便于整體平尾的安裝、拆卸，作為機(jī)身的設(shè)計(jì)分離面。

本文以某飛機(jī)為案例，研究復(fù)合材料平尾懸掛框設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了初步設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 平尾懸掛框初步設(shè)計(jì)

1.1 選材

材料選取方面遵循以下原則：

（1）以滿足設(shè)計(jì)總目標(biāo)為選材的總目標(biāo)，即大型客機(jī)材料的選擇滿足飛機(jī)的總體技術(shù)要求及適航要求；

（2）滿足相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，材料體系基于當(dāng)前先進(jìn)客機(jī)使用的主流產(chǎn)品，兼顧成熟性和先進(jìn)性；

（3）應(yīng)重視材料的工藝性，工業(yè)化批量供應(yīng)的能力和質(zhì)量穩(wěn)定性，注意材料的成本控制；

（4）以減輕結(jié)構(gòu)重量為主要目標(biāo)，盡可能選用比強(qiáng)度高、綜合性能好的材料。

1.2 載荷

平尾懸掛框承受平尾傳來(lái)的面內(nèi)載荷（垂向載荷和側(cè)向載荷）。載荷通過(guò)平尾接頭與框腹板的連接傳遞給框板，然后通過(guò)框緣與壁板的連接擴(kuò)散到機(jī)身壁板上。

1.3 框選型

框腹板受剪力為主，失效模式主要是穩(wěn)定性失效。通過(guò)布置筋條的方式能有效地提高框腹板的穩(wěn)定性?？蚋拱宓妮喞叽缬蓹C(jī)身的外形尺寸和機(jī)身蒙皮厚度尺寸等確定。框腹板上需要先確定維修口的位置及大小，再確定筋條截面形式和尺寸以及間距。

維修口尺寸比較大，優(yōu)先采用方形大開(kāi)口，開(kāi)口四邊可以通過(guò)筋條來(lái)加強(qiáng)，有利于傳遞載荷，但方形開(kāi)口的四個(gè)角半徑適當(dāng)加大，減少纖維的剪斷。

筋條剖面結(jié)構(gòu)形式主要有T形、J形、I形，帽形等，如圖1所示。

圖1 常見(jiàn)筋條剖面形狀

按筋條的結(jié)構(gòu)形式可以分為開(kāi)敞和閉腔兩種結(jié)構(gòu)形式。閉腔加筋的工藝形式比開(kāi)敞加筋結(jié)構(gòu)工藝性要差，閉腔加筋結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲穩(wěn)定性能大大優(yōu)于開(kāi)敞加筋結(jié)構(gòu)。按結(jié)構(gòu)形式I、J、T的順序工藝性難度降低，結(jié)構(gòu)效率遞減。從蒙皮與加強(qiáng)筋結(jié)合考慮，L形加強(qiáng)筋易發(fā)生分層。開(kāi)敞型筋條便于修理和安裝支架等其他結(jié)構(gòu)。筋條設(shè)計(jì)應(yīng)盡量選用對(duì)稱的筋條，避免在受力時(shí)筋條的轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)剝離。綜上所述，筋條優(yōu)先選擇開(kāi)敞型筋條。維修口四邊加強(qiáng)筋條優(yōu)先選擇“工”型，其他筋條優(yōu)先選擇“T”型。如下圖2所示。

圖2 筋條選用

2 平尾懸掛框的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)完成后需進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，完善結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)。平尾懸掛框的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)主要從以下幾方面進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。

2.1 過(guò)渡區(qū)設(shè)計(jì)

考慮制造和強(qiáng)度要求，當(dāng)厚度有變化時(shí)，層壓板的丟層斜率應(yīng)遵循下列規(guī)則：（1）不大于1∶20，在主承力方向；（2）不大于 1∶10，其他任意方向；（3）不大于1∶5，斜坡上沒(méi)有大的載荷傳遞的部位；（4）在連接界面區(qū)域，建議采用更小的斜率，如1∶40.

某飛機(jī)鋪層過(guò)渡區(qū)采用1∶10的斜率，如圖3所示。

圖3 過(guò)渡區(qū)鋪層遞減示意圖

2.2 筋條端頭設(shè)計(jì)

筋條端頭區(qū)域由于幾何突變及剛度變化導(dǎo)致應(yīng)力集中，且筋條端頭與腹板之間容易發(fā)生分層破壞。通過(guò)筋條腹板斜削和筋條臥邊增加緊固件來(lái)抑制裂紋的擴(kuò)展。不同載荷大小采用不同的斜削方式，以及不同的緊固件布置方式。筋條腹板按照30°斜削過(guò)渡，終止在肋腹板處，無(wú)丟層。

筋條端部的臥邊需與框緣連接，保證筋條載荷更好的傳遞到框緣上。一般情況下與筋條端頭上起止裂作用的緊固件共鉚。

筋條端頭設(shè)計(jì)采用腹板斜削以及端頭臥邊緊固件止裂的設(shè)計(jì)理念，如圖4所示。

圖4 筋條端頭設(shè)計(jì)

2.3 異電位防腐設(shè)計(jì)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與鋁合金結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)存在電位差。為了防止對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生異電位腐蝕，采用了以下措施：

（1）與鋁合金或鋼零件接觸表面增加共固化玻璃布，玻璃布隔離層超過(guò)相連金屬邊緣的所有方向25.4 mm.某飛機(jī)框緣與復(fù)合材料框腹板連接處增加共固化玻璃布CMS-CP-313，超過(guò)連接金屬邊緣的25.4 mm，如圖5深色區(qū)域所示。

圖5 玻璃布的布置

（2）復(fù)合材料零件裝配建議使用鈦合金或耐蝕鋼緊固件同時(shí)進(jìn)行濕安裝。

某飛機(jī)復(fù)合材料框與框緣的連接緊固件采用鈦合金高鎖螺栓和高鎖螺栓組合（CFBL1001/CFNT1003），并進(jìn)行濕安裝，如圖6所示。

圖6 濕安裝

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）平尾懸掛框初步設(shè)計(jì)需考慮框輪廓尺寸的確定、維修口尺寸的確定及筋條截面的選型；

（2）平尾懸掛框細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中關(guān)注鋪層過(guò)渡區(qū)、筋條端頭處以及異電位防腐等方面。

[1]益小蘇，杜善義，張立同，等.復(fù)合材料手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2]沈 真.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，2001.