某支线客机复合材料舵面结构静强度分析

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1、某支线客机复合材料舵面结构静强度分析StaticStrengthAnalysisofCompositesControlSurfacesofanRegionalAirplane北京航空航天大学航空科学与工程学院范舟程小全张纪奎范舟#裒n空前i^学1#■口"慑±WR生．HR女向*￡自材##自m计技术。舵面是操纵飞机的部件，包括方向舵、升降舵和副翼。舵面功能主要是保证飞机横向和纵向的平衡．以及实现飞行员对飞机横向和纵向的操纵“。其通过两点或多点分别悬挂在术平安定面、垂直安定面、机翼上。主要外载荷为偏转气动载荷。气动载荷产生的剪力通过悬挂接头以集

2、中力的形式传给安定面或机翼”I，气动载荷相对于转轴的力矩由操纵臂上的操纵力与悬挂接头的支反力构成的力矩平衡。复合材料强度设计与金属强度设计有很大的不同。本课题研究的复合材料静强度设计在结构设计和分析中是必不可少的。分析结构的静强度．了解其剩余强度，可以为下一步分析结构的耐久性和冲击损伤提供基础。随着先进复台材料技术的不断发展和成熟，复合材料在民机上的应用程度进入了前所未有的阶段。渡音、空客等空中巨头争先在先进飞机中使用复合材料．以达到减轻结构重量．降低运营成本．提高舒适性等目的。舵面作为控制飞行姿态的重要结构．在当今民机中大多是采用全复合

3、材料”o，因此在民机舵面设计中，复合材料的静强度校棱是最基础也是最重要的一节。对于飞机结构设计者来说，首先必须考虑的问题就是结构的静强度。复合材料静强度的设计要求包括：(1)按许用应变设计的复合材料结构．一般应按使用载荷设计、按设计载荷校核．其中工作应变取主应变。(2)结构强度计算用的许用值，分为使用许用值和设计许甩值，分别对应于最大使用载荷和最大设计载荷，(3)复合材辩结构安全系数取自现行的强度规范和专门为型号指定的强度计算原则。(4)强度计算时一般应采用蔡一胡(Tsai—wu)失效判据，(^l6j2+2r】26l62+F=622十艮砰

4、)砰+(Fldl幔62)月·I--O．其中，相关项，．，‘取—n15。(5)复合材辩的力学性能璺温度影响较大．因此等结构使用温度范围很宽或复合材料性能在不同温度下变化很大时．应力分析性能散据可以按结梅使用温度划分温度区问，材料弹性常数取相应温度区间内的平均值．强度计算用相应区问的许用值。而选取相应温度区间各飞行情况中的最大使用载荷作为设计载荷，同时取相应温度区间的许用值进行强度计算。2010年第17期·航空卅盎拄术89本课题静强度校模型是国内某的是模型数荷加载情况。型号支线客机的舵而．主要针对蒙皮、肋，梁等复台材料的静强度杖棱．同时也对3

5、片铝合金耳片和斜合金操作杆进行分析，舵面结构有限元建横1结构模型奉课题的研究时象是禁型支线E机的复合材料方向舵结构．采用的是单梁式结构，其主要元件有前粱、后樯、肪、端肋、紫应、谢整片、操纵杆等．舵面的宽约1lm，高3m．该舵面结构的纵向元件是m前粱和后樯构成．横向元件由7根盒段肋和9根前缘肋构成。舵面后缘下端有调整片．通过铰链与舵面后樯连接，由蒯鹊片和操纵杆操纵。肋、粱和蒙皮之问的相互连接为股接连接，耳片等接头与粱则采用螺栓连接。舵由3个接头耳片和操作杆采用锅台金材料．弹性模量为70000MPa．切变模量为27000MPa．泊松比0．3。

6、除接头耳片外，各结构都采用复合材料，设计采用的铺层单元有单向带和双向布，单层厚度分别为0104ram和0218mm，其中双向布为±45。方向铺没，另外对于调整片还采用了泡沫夹芯材料。2回格划分利用PATRAN软件对整个鸵面建立有限分析(见圈1)。整个舵面结构基本选用板单元；对于操纵杆．选用2节点的轩单元，对于橱整片，应选用8节点的六面体单元“最终的有限元模型有17454十单元，112个多点约求。3连接、约柬殛载荷在该舵面结构中．涉及到的连接井不多，肋和粱，肋和蒙皮之间通过几何建模合成为一体进行分析．倜整片和主舵面之间的双支点铰链畦接．耳片

7、接头和梁之间的螺拴连接．以及操纵扦与耳片的连接部是通过设嚣多点约束来对真实的结构进行模拟90她嗣造技术·2010年第17期多止约求是指将结构一部分自由度上的位移表示成另部分自山度上的位移的线性组合时干涮档片和主舵面之间的双支点铰链连接，通过柱嗣整片的前粱上选26个独立自由点并在主舵面的后楠L取26个埘应点作为依靠点．米实现对双支点铰链连接的模拟二对于耳片接头与梁的螵拴连接，分别将粱J：的螺栓孔的中心点和耳片上螺栓孔嘲周t的节点设氍为依靠点和独立点，来宴现模拟。操纵扦与耳片的连接．同样采用使用多点约求，将操纵杆与耳片连接．相对只有转动自由度

8、。舵面需要有两处边界约束，一是施加约束使其实现定轴转动．二是固定操纵杆的位置。对于第一点，依然需要使用同定多点约束，首先将耳片孔中心点殴置为独立点，耳片孔哺周上的系列点设为依靠点，使它们的位移