低溫循環CFRP飛機翼尖小翼性能研究

馬群龍 王嵐懿 朱宇虹 要淞洋 *

（1、沈陽航空航天大學航空宇航學院，遼寧 沈陽 110136 2、中國南方航空股份有限公司沈陽維修基地，遼寧 沈陽 110169）

1 概述

飛機飛行過程中，翼尖處會產生影響其升阻性能的翼尖渦[1]，通常采用翼尖小翼解決這一問題[2]。CFRP復合材料具有強度高、質量輕等優勢[3]，是翼尖小翼材料的較好選擇，但隨著飛機服役時間的增長，翼尖小翼可能會面臨因疲勞而產生的根部懸臂彎曲斷裂問題，其主要影響因素為纖維鋪層角度不同引起的材料自身強度變化[4]以及飛機頻繁高空起降過程中常溫、低溫循環作用的影響[5]。針對以上問題，本文結合理論模型推導以及力學試驗探究了低溫循環條件對單向和正交鋪層CFRP飛機翼尖小翼抗懸臂彎曲性能的影響，為復合材料小翼增強技術研究提供基礎。

2 常溫、低溫循環飛機翼尖小翼懸臂彎曲臨界失效應力模型分析

2.1 CFRP飛機翼尖小翼簡化模型設計

綜合分析翼尖小翼形狀、尺寸及鋪層角度的實際情況，基于相似原理，制備出等比例縮小CFRP飛機翼尖小翼簡化模型(簡稱小翼)如圖1所示，其中小翼鋪層角度為[0]10s和[0/90]10兩種。

圖1 CFRP翼尖小翼形狀與尺寸示意圖

2.2 常溫CFRP飛機翼尖小翼懸臂彎曲臨界失效應力分析

仿照小翼實際受力情況，以小翼根部的固定約束模仿其與翼尖之間的固聯效果，以其自由端受到的集中力F模仿小翼受到的載荷形式，建立小翼懸臂彎曲力學模型如圖2所示。壓力F將使小翼懸臂端以CD為軸發生彎曲，使小翼夾持部分周圍纖維受到沿x軸和y軸的面內拉力σx*和σy*作用，當力F到達一定大小時，小翼固定端纖維發生斷裂破壞[6]。

圖2 小翼受力原理圖

設小翼0°層和90°層纖維層沿x軸方向的拉伸強度為σx(0)、σx(90)，則根據靜力學原理、經典層合板理論可推導出常溫下單向鋪層和正交鋪層小翼的懸臂彎曲臨界失效應力σF1、σF2如式（1）、（2）所示。

其中，Q11和a21*分別表示纖維正軸模量和偏軸模量逆矩陣，t表示單層纖維厚度。

2.3 低溫CFRP飛機翼尖小翼懸臂彎曲臨界失效應力分析

低溫循環的變溫度作用會使碳纖維內部產生殘余應變[7]，從而引發纖維內部的殘余應力，設小翼材料沿x軸、y軸的熱膨脹系數與濕膨脹系數分別α1、α2、β1、β2，吸濕質量比為c，低溫循環溫度差為△T，則通過殘余應變理論和變形協調理論可得到n次低溫循環后單向和正交鋪層小翼的懸臂彎曲臨界失效應力σF3、σF4如式（3）、（4）所示。

2.4 CFRP飛機翼尖小翼懸臂彎曲臨界失效應力數值分析

通過GB/T3354-2014標準獲取經低溫循環處理后小翼所用材料的極限拉應力：常溫下沿0°、90°極限拉應力為1415MPa和157MPa，低溫循環后沿0°、90°極限拉應力為1277.11 MPa和149.35 MPa。小翼纖維其他材料屬性如表1所示。

表1 碳纖維材料屬性參數表

將以上材料屬性代入式（1）～（4）中，求解并繪制小翼懸臂彎曲臨界失效應力理論值對比圖如圖3所示。

圖3 CFRP飛機翼尖小翼懸臂彎曲極限應力對比圖

對圖3分析可以得出：(1)低溫循環確實具有降低小翼抗懸臂彎曲性能的作用，對其增強技術的探究尤為重要。(2)單向鋪層小翼具有更好的抗懸臂彎曲性能。

3 CFRP飛機翼尖小翼懸臂彎曲力學試驗驗證

3.1 CFRP飛機翼尖小翼懸臂彎曲試驗設計

將型號為USN 15000的T300碳纖維/環氧樹脂基預浸料單層裁剪為與文中小翼對應的形狀，采用手糊鋪層操作，[0]10s和[0/90]10鋪層方式[8]，通過熱壓罐成形工藝制備得到CFRP飛機小翼[9]。將進行低溫循環預處理，處理方法為將小翼在-50攝氏度低溫下放置3h后拿到常溫中放置1h，重復20次[10]。并設置CFRP飛機翼尖小翼試驗設備示意圖如圖4所示，萬能試驗機將把試驗中加載點的應力情況傳到PC端。

圖4 試驗設備示意圖

3.2 CFRP飛機翼尖小翼懸臂彎曲臨界失效應力綜合分析

將懸臂彎曲臨界失效應力理論值和試驗值繪制如圖5所示的對比圖。

通過對圖5分析可知：(1)兩類數據偏差很小，可以證明理論和試驗所獲結果的一致性；(2)兩類數據綜合反應了低溫循環的削弱效果，并顯示了小翼增強技術研究需求的必要性。

圖5 CFRP飛機翼尖小翼懸臂彎曲極限應力對比圖

4 結論與展望

4.1 建立了單向和正交鋪層CFRP飛機翼尖小翼懸臂彎曲力學模型，并通過經典層合板理論、靜力學假設分析出低溫循環對小翼抗懸臂彎曲性能有削弱影響，且無論在常溫還是低溫循環條件下，單向鋪層小翼的彎曲性能均優于正交鋪層。

4.2 結合懸臂彎曲力學試驗驗證了低溫循環對CFRP飛機翼尖小翼彎曲性能的削弱作用。

4.3 未來可采用層間預埋碳納米管、碳納米紙[11,12]等高機械強度納米級材料的方法來提升飛機翼尖小翼的彎曲性能。