復(fù)合材料機(jī)身加筋壁板選型研究

吳承思，李慶飛

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

復(fù)合材料機(jī)身加筋壁板選型研究

吳承思，李慶飛

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

針對(duì)復(fù)合材料機(jī)身加筋壁板構(gòu)型選擇問題，通過初步選型、優(yōu)化分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證3種形式的結(jié)合研究，對(duì)復(fù)合材料機(jī)身加筋壁板提出了兩點(diǎn)設(shè)計(jì)建議:(1)相同質(zhì)量下，帽型長(zhǎng)桁壁板的承載能力大于T型長(zhǎng)桁的承載能力;(2)相同質(zhì)量下，相同的帽型長(zhǎng)桁加筋板，長(zhǎng)桁間距200 mm的壁板承載能力大于長(zhǎng)桁間距250 mm的壁板。

復(fù)合材料機(jī)身;加筋結(jié)構(gòu)形式;優(yōu)化分析;試驗(yàn)驗(yàn)證

1 引言

傳統(tǒng)的航空航天結(jié)構(gòu)中，有金屬蒙皮及縱橫向加強(qiáng)件構(gòu)成的壁板是最常見的結(jié)構(gòu)件。隨著復(fù)合材料的發(fā)展，它已逐步進(jìn)入航空航天領(lǐng)域，成為金屬材料的替代品，其發(fā)展過程經(jīng)歷了從次要結(jié)構(gòu)到主要結(jié)構(gòu)，從玻璃纖維到碳纖維，從軍用飛機(jī)到民用飛機(jī)。層壓壁板是應(yīng)用最普遍的結(jié)構(gòu)件之一［1］。本文主要通過長(zhǎng)桁選型、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)驗(yàn)證幾個(gè)方面，對(duì)復(fù)合材料機(jī)身典型壁板的長(zhǎng)桁選型進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

2 長(zhǎng)桁初步選型

復(fù)合材料長(zhǎng)桁設(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。常見的長(zhǎng)桁剖面結(jié)構(gòu)形式主要有T形、J形、I形、帽形等，如圖1所示。

按長(zhǎng)桁的結(jié)構(gòu)形式可以分為開敞和閉腔兩種結(jié)構(gòu)形式。閉腔加筋的工藝形式比開敞加筋結(jié)構(gòu)工藝性要差，而開敞的幾種筋條工藝性，按結(jié)構(gòu)形式I、 J、T的順序工藝性難度降低，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)于開敞加筋結(jié)構(gòu)［2］。對(duì)金屬加筋板的理論分析和試驗(yàn)研究證實(shí):Y形加筋板，Z形、帽型加筋板具有較高的效率，L形、T形的效率較低。對(duì)于復(fù)合材料加筋板，經(jīng)軸壓試驗(yàn)證明帽型加筋比L形加筋有效，L帽型加筋又比T形加筋有效［1］。因此我們初步選用帽型長(zhǎng)桁。

圖1 加筋壁板的筋條剖面形狀

3 優(yōu)化分析

選取4種典型復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)化，通過各自的最優(yōu)結(jié)果對(duì)比，決定最佳結(jié)構(gòu)型式的選取。四種典型的加筋結(jié)構(gòu)型式分別為:間距200 mm的Ω型加筋結(jié)構(gòu)，間距300 mm的Ω型加筋結(jié)構(gòu)，間距150mm的T型加筋結(jié)構(gòu)，間距150 mm的工型加筋結(jié)構(gòu)。

在給定的載荷工況情況下，蒙皮壁板不同長(zhǎng)桁形式及布置優(yōu)化結(jié)果對(duì)比圖，如圖2所示。

可見復(fù)合材料機(jī)身采用間距200 mm左右的Ω型加筋壁板，或采用間距150 mm左右的T型加筋壁板效率較高。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)件分復(fù)合材料T型加筋板和帽型加筋板兩種，如圖3所示。考察區(qū)域長(zhǎng)度均為600 mm，其中T型加筋壁板包括2種規(guī)格;帽型加筋壁板包括3種規(guī)格，試驗(yàn)件分別命名為T1、T2和M1、M2、M3，截面尺寸如圖4、5所示。M1、M2鋪層不同(M1試驗(yàn)件蒙皮復(fù)合材料鋪層為18層，M2試驗(yàn)件蒙皮復(fù)合材料鋪層為26層)，M1、M3鋪層相同。

圖2 蒙皮壁板不同長(zhǎng)桁形式及布置優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

圖3 加筋壁板試驗(yàn)件

圖4 T1、T2截面尺寸示意圖

圖5 M1、M3截面尺寸示意圖

T1、T2、M1～M3的承載能力最終結(jié)果及對(duì)比如表1所示:

表1 試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語

試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)相同質(zhì)量下，帽型長(zhǎng)桁壁板的承載能力大于T型長(zhǎng)桁的承載能力;

(2)相同質(zhì)量下，相同的帽型長(zhǎng)桁加筋板，長(zhǎng)桁間距200 mm的壁板承載能力大于長(zhǎng)桁間距250 mm的壁板。

［1］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，2001:92-100.

［2］楊乃賓，章怡寧.復(fù)合材料飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2002:106-108.

Study about Choice of Stiffened Structure Configuration of Laminated Composite Fuselage

WU Chengsi，LI Qingfei
(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

Select configurations reinforced composite fuselage panels for the problem，through the preliminary selection，optimization analysis and experimental verification three forms of binding studies of reinforced composite fuselage panels made two design proposals.1.Under the same weight，carrying capacity hat stringer panels larger than T-stringers carrying capacity;2.Under the same weight，the same hat truss stiffened plate，stringer spacing panels carrying capacity greater than 200 mm long girder spacing 250 mm siding.

composite fuselage;stiffened structure type;optimization;test

2016-06-15)

吳承思(1980-)，女，湖北人，學(xué)士，工程師。研究方向:復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail:luna1980@ 163.com.