復合材料層壓板開口設計

苗強

【摘 要】飛機機身結構上不可避免要開有許多開口，例如各類系統的通過孔，旅客觀察窗開口，登機門/服務門開口等。開口削弱了結構的傳載能力，必須對開口區域進行補強。相比金屬，復材機身對開口更為敏感，加上復材特別的制造工藝特點，需在設計初期就確定開口加強的形式與結構參數。本文將介紹工程常用的復材機身結構上中小型開口增強方案及結構設計，從減重和效率上分析各類補強方案的特點。

【關鍵詞】復材；機身；開口；加強結構

中圖分類號： V229.7 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0033-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.010

【Abstract】Considering system tubes assembly，passenger windows and service doors，fuselage structures are usually designed with all kinds of cutouts.Cutout destroys fuselage integrity and decreases structures' strength and stiffness； structure strengthening needed to be done to meet stress requirements.Composites are more sensitive to cutouts，and care should be taken to design cutout in composites.In this article，common strengthen methods of composite laminate cutouts are discussed which can be a guidance to design engineers.

【Key words】Composite；Fuselage；Cutout；Reinforcement

考慮工藝施工、檢查維修、設備安裝以及管路通過，飛機機身上常需布置很多開口（開孔）。這些開口不論大小，均破壞了原有結構的完整性，削弱結構承載能力。此外，開口處會出現應力集中，高應力使開口成為疲勞危險區，因此對結構開口應精心設計。

與金屬不同，復合材料開口不僅切斷了承載纖維引起強度和剛度下降，而且復材的應力集中和邊緣效應更明顯，促使復材孔邊提前破壞。復合材料面內承載能力高，制造工藝決定了它不適合制造成復雜的外形，因此復材在機身結構上的應用通常是蒙皮、腹板這類加筋層壓板以及整流罩的蜂窩夾芯板。蜂窩夾芯板主要用于載荷不大的次要結構，例如整流罩面板，其上的維修口常用口蓋進行加強和封嚴。對于承載要求高的層壓板，鑒于疲勞和耐久性要求，開口加強設計顯得尤為重要。因此，本文將重點研究飛機層壓板開口加強結構設計，闡述工程常用的加強方案。

1 開口形狀與尺寸

設計復材零件開口時應以“盡量少地切斷纖維、開口應力集中小”為原則，這樣的開口最大程度的保持原來結構的承載能力。此外，還要考慮制造方便。機身結構上最常用的開口有圓形和橢圓形兩種，受力合理，易于加工。

按開口尺寸，可把機身結構上開口分為三種：小開口、中開口和大開口。小開口，如管線通過孔，其孔徑通常為20～30mm。由于復材機身的設計許用應變是按沖擊損傷無擴展原則確定[1]，剩余強度大，對于孔徑/板寬小于0.2的小開口，結構可以承受孔邊應力集中引起的高應力。因此，對小開口不要求補強。中等開口孔直徑在60～120mm范圍，孔徑/板寬為0.5左右，如蒙皮壁板開口以及承受剪力的梁、肋、框、腹板開口等。開口不切斷筋條、長桁、立柱等軸力承載零件。這類開口需要加強，使得開口后至少擁有原結構60%～70%的承載能力。大開口孔直徑在150mm以上，開口要切斷帶有筋條/桁條的蒙皮和腹板。此類開口應進行詳細的應力分析獲得開口影響范圍，并針對傳載要求進行專門的開口影響區加強設計。

2 開口加強設計

開口設計的核心是如何進行加強。加強后，結構承載能力應能滿足強度要求。加強措施應傳力合理，工藝可行，重量輕。

2.1 小開口

針對中、小開口，由于開口不切斷軸力承載零件，使用加強片加強就可以有效提高開口腹板的承剪能力和剛度。補片的加強方式有腹板兩側補片對稱加強和腹板單側補片加強。補片可以插層到開孔鋪層里，也可以貼補在開孔板上。實踐表明，補片兩側插層的效果最好。

補片設計主要需確定補片厚度Δt、直徑D。設計時，首先根據未開口結構的工作應力N獲得母板的厚度t和鋪層。再根據開孔直徑d和母板寬度W的比值d/W，進行孔邊應力分析或查手冊獲得應力集中系數Kt，那么開口結構的工作應力Nt=fKtN，其中f為安全系數。根據Nt按無孔層壓板設計，求出補片區厚度ts，那么補片厚度Δt=ts-t。補片直徑D應能保證開口周圍有足夠的剪切強度，一般取D/d=1.5～2.0[2]。工程經驗表明，對于d/W小于0.45的開孔，采用圓形補片效果最好；對于d/W大于0.45的開孔，采用腹板全寬度加強效果最好。

2.2 大開口

對于大開口（如艙門），需使用“口框”和厚蒙皮進行加強。大開口切斷了多處軸力傳載元件，開口處的軸力轉化為剪切方式傳遞。復材層壓板開口載荷與金屬薄板相似，但復材受影響范圍比金屬結構大，不僅與結構尺寸、材料性能有關，還受鋪層參數影響。在開口區適當增加±45o鋪層的占比或選用剪切性能好的材料，可減小開口受影響范圍以及對結構減重有好處。蒙皮補強一般采用2.1節所述的補片插層方式，補片可與結構一起鋪貼，采用共固化成形。

3 總結

本文總結了機身結構上常用的復材層壓板開口加強方式以及參數設計，可供民機設計師參考。進行復材開口設計時，在本文提及的工程設計方法基礎上仍需進行嚴謹的強度校核。

【參考文獻】

[1]姜波.飛機檢測與維修實用手冊（第一卷）.吉林科學技術出版社，2005：426.

[2]牛春勻.實用飛機結構應力分析及尺寸設計[M].北京：航空工業出版社，2009：240.