輕質點陣夾芯板在民用飛機上的應用分析

陳繼偉

【摘 要】點陣夾芯板是由上、下兩層薄面板以及芯層周期分布的桿單元組成的輕質多孔結構，具有很高的比剛度和比強度、優異的抗沖擊力學性能，此外還具有多功能集成特性，比如隔熱隔聲、通風等，在民用飛機上具有很好的應用前景。

【關鍵詞】點陣夾芯板；民用飛機

中圖分類號： O348 文獻標識碼： 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、高強度、高韌性的材料結構一直是民用飛機設計研究的關鍵技術問題。重量作為民用飛機設計的重要指標，直接關系到飛機運營時的燃油經濟性和航空公司的效益。國內外新型客機大范圍使用碳纖維增強復合材料、鋁鋰合金等新材料也是出于減輕結構重量、提升產品市場競爭力的目的。此外，民用飛機不僅對材料結構的強度和承載能力要求較高，對于材料結構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，燃油箱結構的通風、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，承載能力強并且具有生物多功能集成的特性。受此啟發，科研人員開發出多種超輕多孔材料，比如金屬泡沫、蜂窩夾芯板、點陣夾芯板等，也都具有高孔隙率的特點，并且擁有高比強度、高比剛度、高強韌、抗沖擊等優良力學性能以及多功能集成的特性[1]。

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

相關研究表明，在相同重量的情況下，點陣材料的面內楊氏模量可以比蜂窩材料高出兩個數量級以上，其面外強度可高出蜂窩材料一個數量級以上。在保持高孔隙率的同時，點陣材料的微結構具有良好的可設計性，可滿足工程結構對材料力學性能的不同要求。國內一些高校甚至制造出了力學性能更強的復合材料點陣夾芯結構[3]。

1 點陣夾芯板的力學性能

點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雜結構。當點陣夾芯板具有大量單胞時，會產生大量節點自由度，這會大大增加有限元法分析的時間和成本。不過，當點陣夾芯單胞在空間大量周期重復時，我們可以將其等效為連續、均勻的二維板。根據單胞構型，利用材料力學和結構力學理論，我們就可以得到等效力學性能。

點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。上式中假設上下層薄面板厚度相同并且為各向同性材料。

點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 在民用飛機上的應用研究

2.1 客艙/貨艙地板

客艙地板結構主要承受飛機乘客的載荷，將商載通過橫梁和立柱傳遞給機身。目前客艙地板面板通常采用復合材料蜂窩夾芯板，根據重量和安裝維護方便的原則進行大小分塊，在地板骨架上進行組裝。貨艙地板結構不參與機身總體受力，只承受貨艙內的載荷。目前貨艙地板面板通常采用滿足阻燃要求的復合材料蜂窩夾芯板。

在飛機客艙/貨艙設計要求中，規定了客艙/貨艙地板的許用線載荷及局部破壞載荷，以此為根據對地板結構進行合理的設計，在滿足承載能力的要求下盡量減輕地板結構重量。Deshpande[4]和Wallach[5]等的研究論文和試驗表明，點陣夾芯結構具有很高的彎曲剛度、剪切剛度和面外強度，甚至強于常規的蜂窩夾芯結構。另外由于芯層單胞的可設計性，點陣夾芯板的剛度和固有頻率可以通過調節單胞幾何參數從而進行高效的設計，達到為地板減振的目的。

2.2 貨艙擋板

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

假設貨艙長度為L，地板許用線載荷為k，貨艙擋板面積為A。考慮比較危險的飛機應急著陸工況，載荷為向前9G，則貨艙擋板上的壓力為：P=L×k×9G/A。點陣夾芯板在有限元建模時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，施加約束邊界條件和載荷條件P，然后進行應力和位移的計算。

2.3 燃油箱

民用飛機的基本燃油箱一般是由機翼、中央翼內部的空間構成。為了滿足客戶對于大航程的需求，往往就需要在機身內部增加輔助燃油箱。在飛機的貨艙內增加輔助燃油箱是飛機制造商常見的選擇。傳統的輔助燃油箱是由單層蒙皮組成的金屬結構，重量大并且容易產生泄漏。目前國外比較先進的燃油箱是蜂窩夾芯板組成的結構，內層蒙皮隔離燃油，外層蒙皮阻擋油氣泄露，芯層用來通風排漏，這種結構形式極大的降低了燃油泄漏的安全隱患。點陣夾芯板由于相似的結構形式，也能實現此功能，并且由于力學性能更優，在燃油箱設計制造上有很大的應用潛力。

3 結論

民用飛機對輕質、高強、多功能集成的材料結構要求越來越高。優異的力學性能和點陣結構的可設計性使得點陣夾芯板能滿足民用飛機對于材料結構的嚴格要求。目前關于點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、相關材料試驗和適航驗證工作尚需開展。不過可以預見，點陣夾芯板在民用飛機上有著良好的應用前景。

【參考文獻】

[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用。力學進展，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，輕質點陣材料力學與多功能設計。2009，北京：科學出版社。

[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.