典型复合材料襟翼结构强度设计.docx

典型复合材料襟翼结构强度设计万建平1，李朝光2，杜龙2(1.海装武汉地区军代局，湖北武汉430011；2.中航工业洪都，江西南昌330024)现代飞机为了增加升力，提高机动性，减小大 迎角下失速速度，改善起飞和着陆性能，在机翼前、后缘除布置横向操纵用的副翼和扰流片外，还 布置了大量的增升装置，其形式很多，包括各类襟翼和缝翼[1]。飞机的性能与飞机结构的重量密切相关，减轻结构重量是飞机研制工作中的主要目标之一。复合材料具有比刚度和比强度高、抗疲劳和抗腐蚀性能好等优点，在航空、航天结构中得到了广泛的应用， 其应用范围已由最初的次承力结构扩展到主承力结构。目前，在新研飞机的翼面结构中大量采用复合材 料，有些翼面结构甚至采用全复合材料设计[2]。以往飞机襟翼多采用全金属结构，重量大，且装配变形较难控制，表面质量不高。本文采用等刚度设 计原则，提出了一种典型复合材料襟翼结构设计方案，并进行了强度分析。1 复合材料襟翼结构设计1.1 结构形式在确定复合材料襟翼的结构形式时，对两种方案进行了详细的对比分析：一种采用梁式结构，另一种为全高度蜂窝夹层结构。梁式结构主要由上下蒙皮、金属梁、长桁和若干翼肋组成：蒙皮只承受剪应力；金属梁缘条承受绝大部分弯矩引起的正应力，剪 力由梁腹板传递；扭矩由蒙皮和金属梁组成的闭室来传递；翼肋支持蒙皮和梁腹板并传递集中载荷。全高度蜂窝夹层结构主要由上下蒙皮、金属梁和少量翼肋组成：弯曲载荷由金属梁缘条和被蜂窝芯材密集支撑的蒙皮共同传递；剪力由梁腹板和蜂窝芯传递；扭矩由蒙皮和梁组成的闭室来传递。由于有蜂窝芯对蒙皮的密集支持，因此除端部接头处安排翼肋外，可以取消其它普通肋。对比两种结构形式，梁式结构的抗弯材料都集中在翼梁缘条上，结构形式和装配工艺简单；全高度蜂窝夹层结构具有比强度高、成本低、工艺方法成熟、零件数量少和装配工作量少等优点，但蜂窝夹层结构对密封防潮要求较高，且为传递集中载荷，复合材料襟翼上布置了几个加强肋，导致蜂窝芯分为多段，增加了夹层结构的制造难度。经综合分析，最终选择采用梁式结构。复合材料襟翼的结构简图如图1所示。上蒙皮过4个悬挂接头和两个操纵作动筒连接在机翼上。 基于等刚度设计原则，并考虑不改变原翼盒接头设计及装配关系，承受集中载荷作用的加强肋仍沿用金属结构设计，而蒙皮和普通肋采用复合材料结构。 复合材料蒙皮分为上、下蒙皮，在襟翼前缘与前缘条通过钛合金抽钉机械连接，上、下蒙皮与肋、梁用钛合金抽钉机械连接。1.2 结构选材翼梁分为内段梁和外段梁，材料分别选用航空上常用的LC9和7050-T7451铝合金，长桁和加强肋选用LY12铝合金（表1）；蒙皮和普通肋选用国产碳15肋处上蒙皮15肋处下蒙皮内段梁外段梁下蒙皮肋纤维复合材料CCF300/BA9916-II（表2），单层厚度 为0.125mm，纤维体积含量60%，密度为1.59g·cm-3。表 1 金属材料参数材料E/GPaνσb/MPaρ/g·cm-3LC9710.334902.87050-T7451710.335102.82LY12710.334202.8图 1 复合材料襟翼结构简图复合材料襟翼为复合材料与金属混合结构 ，通表 2 CCF300/BA9916-Ⅱ复合材料性能参数E11/GPaE22/GPaG12/GPaν12Xt/MPaXc/MPaYt/MPaYc/MPaS/MPaρ/g·cm-31289.754.60.2691579110176182891.591.3 铺层设计1）蒙皮蒙皮的功用主要为维持襟翼外形，直接承受气动载荷并把它传递到襟翼的梁和肋上。上蒙皮主要承受压应力，为稳定性约束；下蒙皮主要承受拉应力，为应变约束。上蒙皮设计成分段变厚度，下蒙皮为等厚度。蒙皮铺层参数见表3。表 3 蒙皮铺层参数部位铺层参数厚度/mm上蒙皮［±45/±45/02/±45/90/0/±45］S3［±45/02/±45/90/0/±45］S2.5［±45/02/90/0/±45］S2［±45/0/90/±45］S1.5下蒙皮［±45/0/90/±45］S1.52）翼肋翼肋是横向受力构件，主要支持蒙皮维持气动外形。因此，普通肋的铺层要按对蒙皮壁板的支持刚度要求设计，其铺层为：［±45/±45/±45/90/0］S。2 有限元模型的建立复合材料襟翼有限元模型如图2所示。图 2 复合材料襟翼有限元模型2.1 网格划分在复合材料襟翼结构有限元建模过程中，根据各元件的承载特点，分别选用以下几种单元：1）金属梁缘条、长桁和所有肋缘条选用杆元；2）蒙皮和普通肋腹板选用壳元；3）金属梁腹板和加强肋腹板选用纯剪板元。2.2 约束和载荷为了尽可能地求得复合材料襟翼在设计载荷作用下真实的内力值，应尽量保证模型的约束条件和真实情况一样。因此，将复合材料襟翼模型支持在机