輕質(zhì)點(diǎn)陣夾芯板在民用飛機(jī)上的應(yīng)用分析

陳繼偉

【摘 要】點(diǎn)陣夾芯板是由上、下兩層薄面板以及芯層周期分布的桿單元組成的輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)，具有很高的比剛度和比強(qiáng)度、優(yōu)異的抗沖擊力學(xué)性能，此外還具有多功能集成特性，比如隔熱隔聲、通風(fēng)等，在民用飛機(jī)上具有很好的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】點(diǎn)陣夾芯板；民用飛機(jī)

中圖分類號： O348 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0064-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.025

【Abstract】Lattice core sandwich plates are lightweight porous structures comprising a truss core and two thin flat sheets， with high stiffness to weight and strength to weight ratios and great ability of impulse-resistance. In addition the sandwich plates provide multi-functional properties such as reduction of heat and noise， vent with air， and promise great application on civil aircraft.

【Key words】Lattice Core Sandwich Plates；Civil Aircraft

0 引言

輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高韌性的材料結(jié)構(gòu)一直是民用飛機(jī)設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵技術(shù)問題。重量作為民用飛機(jī)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，直接關(guān)系到飛機(jī)運(yùn)營時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性和航空公司的效益。國內(nèi)外新型客機(jī)大范圍使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、鋁鋰合金等新材料也是出于減輕結(jié)構(gòu)重量、提升產(chǎn)品市場競爭力的目的。此外，民用飛機(jī)不僅對材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和承載能力要求較高，對于材料結(jié)構(gòu)的多功能性也有新的要求，比如地板材料減振、隔熱，艙門和貨艙擋板抗沖擊破壞、隔離噪音，燃油箱結(jié)構(gòu)的通風(fēng)、排漏等。

自然界有許多天然多孔材料，比如木材、骨頭以及珊瑚等，孔隙率高，承載能力強(qiáng)并且具有生物多功能集成的特性。受此啟發(fā)，科研人員開發(fā)出多種超輕多孔材料，比如金屬泡沫、蜂窩夾芯板、點(diǎn)陣夾芯板等，也都具有高孔隙率的特點(diǎn)，并且擁有高比強(qiáng)度、高比剛度、高強(qiáng)韌、抗沖擊等優(yōu)良力學(xué)性能以及多功能集成的特性[1]。

點(diǎn)陣材料是由桿件在空間周期重復(fù)排列而形成的桁架結(jié)構(gòu)，研究者提出并制造了眾多構(gòu)型各異的三維點(diǎn)陣材料，常見的單胞構(gòu)型有金字塔型、四面體型、Kagome型等等。將三維點(diǎn)陣材料作為芯層來連接上下兩層薄面板，構(gòu)成了點(diǎn)陣夾芯板，如圖1所示。

相關(guān)研究表明，在相同重量的情況下，點(diǎn)陣材料的面內(nèi)楊氏模量可以比蜂窩材料高出兩個(gè)數(shù)量級以上，其面外強(qiáng)度可高出蜂窩材料一個(gè)數(shù)量級以上。在保持高孔隙率的同時(shí)，點(diǎn)陣材料的微結(jié)構(gòu)具有良好的可設(shè)計(jì)性，可滿足工程結(jié)構(gòu)對材料力學(xué)性能的不同要求。國內(nèi)一些高校甚至制造出了力學(xué)性能更強(qiáng)的復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)[3]。

1 點(diǎn)陣夾芯板的力學(xué)性能

點(diǎn)陣夾芯板是由空間周期分布的桁架以及薄面板組裝而成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。當(dāng)點(diǎn)陣夾芯板具有大量單胞時(shí)，會產(chǎn)生大量節(jié)點(diǎn)自由度，這會大大增加有限元法分析的時(shí)間和成本。不過，當(dāng)點(diǎn)陣夾芯單胞在空間大量周期重復(fù)時(shí)，我們可以將其等效為連續(xù)、均勻的二維板。根據(jù)單胞構(gòu)型，利用材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，我們就可以得到等效力學(xué)性能。

點(diǎn)陣夾芯板的等效彎曲剛度：

其中：f為上下層薄面板厚度；H為面板厚度；E1和υ分別為面板材料的楊氏模量和泊松比。上式中假設(shè)上下層薄面板厚度相同并且為各向同性材料。

點(diǎn)陣夾芯板的等效剪切剛度：

其中：E2為桁架材料的楊氏模量，A為桿截面的面積，h為芯層厚度，θ為桿元與面板的夾角。

2 在民用飛機(jī)上的應(yīng)用研究

2.1 客艙/貨艙地板

客艙地板結(jié)構(gòu)主要承受飛機(jī)乘客的載荷，將商載通過橫梁和立柱傳遞給機(jī)身。目前客艙地板面板通常采用復(fù)合材料蜂窩夾芯板，根據(jù)重量和安裝維護(hù)方便的原則進(jìn)行大小分塊，在地板骨架上進(jìn)行組裝。貨艙地板結(jié)構(gòu)不參與機(jī)身總體受力，只承受貨艙內(nèi)的載荷。目前貨艙地板面板通常采用滿足阻燃要求的復(fù)合材料蜂窩夾芯板。

在飛機(jī)客艙/貨艙設(shè)計(jì)要求中，規(guī)定了客艙/貨艙地板的許用線載荷及局部破壞載荷，以此為根據(jù)對地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，在滿足承載能力的要求下盡量減輕地板結(jié)構(gòu)重量。Deshpande[4]和Wallach[5]等的研究論文和試驗(yàn)表明，點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)具有很高的彎曲剛度、剪切剛度和面外強(qiáng)度，甚至強(qiáng)于常規(guī)的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)。另外由于芯層單胞的可設(shè)計(jì)性，點(diǎn)陣夾芯板的剛度和固有頻率可以通過調(diào)節(jié)單胞幾何參數(shù)從而進(jìn)行高效的設(shè)計(jì)，達(dá)到為地板減振的目的。

2.2 貨艙擋板

民用飛機(jī)地板以下區(qū)域通常為貨艙，但是由于電子電氣設(shè)備的布置、輔助燃油箱的布置等因素，貨艙需要隔離出單獨(dú)的區(qū)域放置電子電氣設(shè)備或者燃油箱。為了阻攔貨物對設(shè)備或者燃油箱的沖擊破壞，需要安裝貨艙擋板，見圖2。

假設(shè)貨艙長度為L，地板許用線載荷為k，貨艙擋板面積為A?？紤]比較危險(xiǎn)的飛機(jī)應(yīng)急著陸工況，載荷為向前9G，則貨艙擋板上的壓力為：P=L×k×9G/A。點(diǎn)陣夾芯板在有限元建模時(shí)可簡化為具有分層屬性的二維板單元，分別輸入面板和芯層的材料參數(shù)，施加約束邊界條件和載荷條件P，然后進(jìn)行應(yīng)力和位移的計(jì)算。

2.3 燃油箱

民用飛機(jī)的基本燃油箱一般是由機(jī)翼、中央翼內(nèi)部的空間構(gòu)成。為了滿足客戶對于大航程的需求，往往就需要在機(jī)身內(nèi)部增加輔助燃油箱。在飛機(jī)的貨艙內(nèi)增加輔助燃油箱是飛機(jī)制造商常見的選擇。傳統(tǒng)的輔助燃油箱是由單層蒙皮組成的金屬結(jié)構(gòu)，重量大并且容易產(chǎn)生泄漏。目前國外比較先進(jìn)的燃油箱是蜂窩夾芯板組成的結(jié)構(gòu)，內(nèi)層蒙皮隔離燃油，外層蒙皮阻擋油氣泄露，芯層用來通風(fēng)排漏，這種結(jié)構(gòu)形式極大的降低了燃油泄漏的安全隱患。點(diǎn)陣夾芯板由于相似的結(jié)構(gòu)形式，也能實(shí)現(xiàn)此功能，并且由于力學(xué)性能更優(yōu)，在燃油箱設(shè)計(jì)制造上有很大的應(yīng)用潛力。

3 結(jié)論

民用飛機(jī)對輕質(zhì)、高強(qiáng)、多功能集成的材料結(jié)構(gòu)要求越來越高。優(yōu)異的力學(xué)性能和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性使得點(diǎn)陣夾芯板能滿足民用飛機(jī)對于材料結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格要求。目前關(guān)于點(diǎn)陣夾芯板的理論分析方法已比較完善，但是制造裝配工藝尚不成熟、相關(guān)材料試驗(yàn)和適航驗(yàn)證工作尚需開展。不過可以預(yù)見，點(diǎn)陣夾芯板在民用飛機(jī)上有著良好的應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]盧天健、何德坪、陳常青、趙長穎、方岱寧、王曉林，超輕多孔金屬材料的多功能特性及應(yīng)用。力學(xué)進(jìn)展，2006年第36卷第4期：517-535。

[2]Yungwirth， C. J.， Wadley， H. N. G.， O'Connor， J. H.， Zakraysek， A. J.， Deshpande， V. S.， Impact response of sandwich plates with a pyramidal lattice core. International Journal of Impact Engineering， 2008， 35（8）： 920-936.

[3]方岱寧、張一惠、崔曉東，輕質(zhì)點(diǎn)陣材料力學(xué)與多功能設(shè)計(jì)。2009，北京：科學(xué)出版社。

[4]Deshpande， V. S.， Fleck， N. A.， Collapse of truss core sandwich beams in 3-point bending. International Journal of Solids and Structures， 2001， 38（36-37）： 6275-6305.

[5]Wallach， J. C.， Gibson， L. J.， Mechanical behavior of a three-dimensional truss material. International Journal of Solids and Structures， 2001， 38（40-41）： 7181-7196.