民機復合材料中央翼上壁板結構設計及優化

彭國輝

【摘 要】復合材料在主承力結構的應用已成為民機研制的趨勢，本文對中央翼上壁板提出了復合材料結構設計方案，并通過選型試驗、軟件分析途徑進行優化設計。同時在相同設計要求下進行了金屬方案設計，得到了設計重量對比數據，為型號應用提供理論基礎。

【關鍵詞】復合材料；中央翼上壁板；優化

【Abstract】Application of composite materials in the main load-carrying structure has become the trend of commercial development， put forward in this paper， the central wing wall of composite material structure design， and through the selection test， the optimal design analysis software. At the same time， the design of metal scheme was carried out under the same design requirements， and the design weight comparison data was obtained， which provided the theoretical basis for the model application.

【Key words】Composite materials； Centre wing box upper pannel； Optimize

1 背景介紹

復合材料在民用飛機上的應用范圍已經從次承力結構逐漸擴展至主承力結構，國內民機型號中已經在后機身及尾翼等主結構上使用T800級碳纖維復合材料。在中央翼及外翼應用復合材料也成為型號后續發展方向之一。本文結合復合材料壁板選型試驗等基礎數據，對中央翼復合材料上壁板進行設計優化，并使用Hypersize及Hyper Works分別對復合材料與金屬材料方案進行對比。

2 受力分析

民用飛機中央翼一般位于中機身內部，連接左右外翼，處于機身機翼交匯區域。中央翼為典型翼盒閉室結構，主要承受來自外翼的彎矩、扭矩和剪力，并把這些載荷傳到機身。中央翼壁板主要承受外翼傳來的載荷，外翼傳來的彎矩引起了壁板的軸向載荷，上壁板主要受壓，下壁板主要受拉；外翼傳來的剪力和扭矩產生了壁板剪流，上壁板的剪流通過側肋與機身平衡，下壁板的剪流通過龍骨梁傳給機身。中央翼上壁板除了承受外翼傳來的載荷，還承受機身客艙客載和氣密壓力的作用，壁板上的蒙皮通過緊固件直接把氣密壓力傳給長桁和地板縱梁。長桁承受的氣密壓力以多支點梁的形式傳給地板縱梁，由地板縱梁將氣密載荷傳給展前梁和后梁，然后傳給機身。上壁板承受了氣密壓力和軸向壓縮載荷的聯合作用，地板縱梁支持中央翼上壁板，使上壁板成為多支點連續梁柱，提高了上壁板的結構穩定性。

3 結構方案

復合材料中央翼上壁板由蒙皮及多根長桁組成（見圖1）。上壁板采用T800級碳纖維復合材料，長桁采用手工鋪貼成型，固化成型后和采用自動鋪帶工藝濕蒙皮共膠接固化成型。

圖1 典型復合材料壁板結構

蒙皮沿航向分為五個厚度區域，共形成四個丟層區；沿展向在一號肋緣條裝配區蒙皮厚度增加，以降低連接區釘孔擠壓應力。蒙皮兩側增強區位于理論外形外側，保證蒙皮內側沿展向光滑，以簡化長桁成型工藝，并保證蒙皮與長桁的共膠接成型質量。

長桁分為普通工型截面長桁和T型截面長桁。工型截面長桁僅在地板縱梁處采用雙排緊固件連接蒙皮及地板縱梁緣條，其余部位與蒙皮共膠接且無緊固件連接；與中央翼內部展向梁連接的長桁為T型截面，長桁腹板與展向梁腹板采用雙排緊固件連接，下緣條與蒙皮采用雙排緊固件連接。

4 選型試驗

試驗件選用與結構件相同的T800碳纖維復合材料。考慮上壁板受壓的主受力情況，選取長桁與蒙皮的0度、45度、90度鋪層比例為5：4：1。在該鋪層比例前提下，改變蒙皮和長桁的面積比例，進行破壞試驗，尋找蒙皮與長桁的最佳剛度匹配。

試驗結果表明：

a）在相同的試驗條件下，長桁/蒙皮面積比為5：5的構型承載能力最大，平均值為1260kN。其余兩個破壞載荷平均值分別為1025kN和1034kN。

b）長桁/蒙皮面積比為6：4與5：5試驗件破壞后蒙皮與長桁梁脫膠。而長桁/蒙皮面積比4：6構型三個試驗件均在地板梁外側破壞，蒙皮與長桁未脫膠。說明蒙皮剛度越大，越不容易發生與膠接結構的脫膠。

5 參數優化

根據選型試驗結果制定長桁/蒙皮面積比的初始數值，對上壁板蒙皮厚度及長桁參數采用Hypersizer軟件進行了優化設計。根據上壁板結構布置特征重新劃分有限元模型的單元分組。優化過程中控制復合材料單層模量及整體應變。

（1）單元劃分

蒙皮單元分區如圖2所示，每根長桁之間的蒙皮作為一個優化單元，與周邊結構裝配區作為單獨的優化單元。長桁單元劃分：一號肋緣條處作為一組單元，剖面參數按照長桁端頭設計（上下緣條加寬）；其余單元按照地板縱梁的站位劃分為不同的單元，詳見圖3。

（2）初值及約束

在優化過程中設定以下初始值及約束關系：

a）蒙皮厚度：4mm

b）鋪層比例：0°層50%～60%，45°層30%～60%，90°層10%～20%。

c）應變約束：拉壓應變<3200u，剪切應變<5000u。

d）穩定性約束：壁板柱失穩，蒙皮剪切失穩，壁板壓剪耦合。

e）尺寸約束： 壁板結構對稱。

（3）邊界約束

對于蒙皮板單元，實際結構四邊支持由兩側長桁、兩側地板縱梁（端部蒙皮單元為地板縱梁及一號肋緣條支持）。所有蒙皮單元支持條件簡化定義為四邊簡支，單元長度按照實際縱梁、長桁間距設定。長桁邊界支持為側邊自由，兩端簡支。長桁單元跨距為兩根地板縱梁間距。

（4）優化結果

根據上述定義及約束，由軟件進行多輪迭代優化。根據理論優化數值，同時考慮不允許三層以上連續丟層等復合材料設計準則，對蒙皮及長桁鋪層進行細微調整，減少鋪層的頻繁變化，以降低磨具制造成本及加工難度，保證復材件的成品率。根據優化結果建立復合材料上壁板模型，得到零件重量數據。其中蒙皮101.28Kg，長桁共計80.61Kg，合計181.86Kg。

6 金屬方案對比

作為與復合材料方案的對比，針對上壁板金屬材料方案進行了詳細論證，并使用Hyper works軟件對截面參數進行了優化計算。單元劃分與復合材料劃分相同，材料選用7055系列鋁合金。變量及約束如下：

a）設計變量：蒙皮厚度，長桁加筋面積（緣條厚度）。

b）應力約束：上壁板展向<375MPa；

c）穩定性約束：壁板柱失穩，蒙皮剪切失穩，壁板壓剪耦合；

d）尺寸約束：

i.蒙皮厚度：3.5mm

ii.長桁下緣條厚度：2.5mm

e）設計目標：質量最輕。

優化后的金屬壁板厚度分布如圖4所示。根據優化結果建立金屬上壁板模型，得到零件重量數據。其中蒙皮121.50Kg，長桁共計105.45Kg，合計226.95Kg（不包含緊固件重量）。與復合材料上壁板重量（181.86Kg的）相比，減重量達到19.87%。

7 結論

中央翼復合材料上壁板設計滿足中央翼結構功能要求，經過選型試驗、Hypersizer軟件優化并按照設計準則調整鋪層，實現了結構的最優化設計，具備良好的工藝性。通過與金屬方案優化的對比，中央翼上壁板采用復合材料方案具備較大的重量優勢。

【參考文獻】

[1]展全偉.復合材料加筋壁板穩定性影響分析[J].《中國民用航空》，2012（03）：47-49.

[責任編輯：朱麗娜]