复合材料蜂窝夹层与长桁加筋形式在翼面类结构上的对比选用-论文.pdf

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1、第14卷第20期2014年7月科学技术与工程Vo1．14No．20Ju1．20141671—1815(2014)20·0132—06ScienceTechnologyandEngineering@2014Sei．Teeh．Engrg．航空航天复合材料蜂窝夹层与长桁加筋形式在翼面类结构上的对比选用王一飞李庆飞(中国商飞上海飞机设计研究院结构设计研究部，上海201210)摘要从飞机翼面类结构选型设计的角度出发，在等重量基准下，比较了蜂窝夹层和长桁加筋的壁板形式对于翼面主要载荷的承载能力。主要通过工程算法，计算分析了两种壁板结构形式下翼面整体的抗弯能力和局部弯曲刚度，并从复合材料

2、层压板厚度、蒙皮宽度、翼型高度分类对二者承载能力做了比较。得到结论：对于翼型高度低、层板厚度小的次承力翼面结构(如活动面等)，蜂窝结构的局部抗弯结构效率一般要高于长桁加筋结构。对于翼型高度高、层板厚度大的主承力翼面结构(如外翼盒段、中央翼等)，长桁结构的局部抗弯结构效率一般要高于蜂窝结构。关键词蜂窝夹层长桁加筋压缩稳定性抗弯刚度结构选型中图法分类号V214．11V214．6；文献标志码A翼面类结构是航空器上普遍使用的重要的升上下壁板的拉压轴力F(一对力偶)，如图1所示。力部件。气流流过翼面的特定外形产生压力差进而翼面需要限制变形，维持升力系数，故通常需要考虑产生升力。翼面的

3、功能和承力特点决定了其结构应刚度的设计。故设计中的主要问题之一是满足壁板保证必要的刚度和稳定性。而由于复合材料相对于在压缩下的稳定性要求。传统铝合金的较高比模量、比强度，合理的复合材料结构设计可以显著减轻结构重量，从而提高整机的燃油经济性。对于复合材料翼面类结构，一般采用整体壁板形式，不像传统金属薄蒙皮那样仅起到气动维形和整流作用，而是有一定厚度并承受翼面的主要载荷。因此设计选型的决定因素在于如何采用较轻的结构形式来承受空气动力或机构操纵力作用在翼面上的载荷。飞机复合材料翼面的整体上下壁板一般选用碳纤维复材蒙皮+纸蜂窝的夹芯结构，或者碳纤维图1翼面气动弯曲下壁板承受拉压轴力

4、蒙皮+碳纤维长桁加筋结构。为此，从翼面类结构Fig．1Thecompressionandtensiononpanelswhen设计的角度，对比了两种不同的结构形式，即在等结wingboxsubjectedtoaerod~rnamicbending构尺寸(重量)的情况下比较蜂窝夹层与长桁加筋对于金属的长桁加筋和蜂窝夹层结构各自在压二者对于翼面典型载荷的承载能力。缩载荷下的承载能力，在早年已有大量研究、比较和1整体抗弯能力的考虑优化。其中最有代表性的是NACA的研究。采用有限元和试验手段，对二者结构效率的比较也有翼面由于受到其他结构或操纵机构的支撑，力较为充分探讨J。然而对于复

5、合材料，且从飞机学上通常可以简化为一个悬臂梁或双支点梁，其主选型设计角度对二者的对比还比较欠缺。要载荷之一在于气动载荷引起的展向弯曲。故选择大型客机襟翼翼面结构上典型的碳纤维翼面在气动载荷作用下产生的弯矩可以等效为材料、铺层、尺寸等特征，并予以适当简化，进行工程计算。2014年2月26日收到第一作者简介：王一飞，男。硕士。工程师。研究方向：飞机结构设对于蜂窝夹层结构，考虑压缩工况下三种常见计。E-mail：wangyifei@comac．ca。的失稳形式：均匀压缩失稳、面板孔问压缩失稳、剪20期王一飞，等：复合材料蜂窝夹层与长桁加筋形式在翼面类结构上的对比选用135受胶接性

6、能和紧固件边距的影响，腹板高度、缘条宽度、蒙皮宽度(长桁间距)只能取在合理的设计包线内。如图8所示。要／ram253035404550556065塞。60墨255s6065辎3O6o65357O401054511O蒙皮与缘条(或面板)的厚度t／mm(a)蒙皮等效宽度(长桁间距)50nlln50l155511O11512060120125图8长桁间距(蒙皮宽度)随缘条宽度、寸吕腹板高度的设计包线堇Fig．8Designenvelopebystiffenerspacing，墨flangewidth，webheight鲻通过计算，得出了截面惯性矩，的比较数据，如图9所示。根据所得

7、曲线进行分析，可得以下结论蒙皮与缘条(或面板)的厚度t／mm1)对于同样的层板厚度和高度下(飞机结构合(b)蒙皮等效宽度(长桁间距)75ml11加Hm8642O∞如加理设计包线内)，蜂窝夹芯结构的惯性矩要远远大于长桁加筋结构。2)对于同样的层板厚度和重量下(飞机结构合鲁皇可。理设计包线内)，长桁加筋结构要想达到与蜂窝夹芯结构同样的抗弯刚度，前者的高度大约需要后者的两倍。3)随着长桁间距的增加，长桁高度也必须相应增加，此时蜂窝高度一般不能再增加，则长桁结构的0246810蒙皮与缘条(或面板)的厚度t／mm抗弯刚度超越