劉杰，孔令軍，黎小寶

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

某型飛機(jī)復(fù)材翼盒結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉杰，孔令軍，黎小寶

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

針對某型機(jī)機(jī)翼開展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)形式、材料體系、密封形式、工藝方案等方面進(jìn)行綜合論述，驗(yàn)證主承力結(jié)構(gòu)復(fù)材整體化設(shè)計及制造的可行性，可為主承力復(fù)材結(jié)構(gòu)的工程化應(yīng)用提供參考。

復(fù)合材料；機(jī)翼翼盒；整體化；結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 引言

以某型機(jī)機(jī)翼為對象，對金屬結(jié)構(gòu)改復(fù)材結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

為綜合利用現(xiàn)有型號工裝、型架、試驗(yàn)設(shè)備，降低研究成本，復(fù)材翼盒整體化結(jié)構(gòu)方案應(yīng)保證原金屬結(jié)構(gòu)機(jī)翼機(jī)身對接交點(diǎn)、三個掛梁交點(diǎn)、內(nèi)外前襟、后襟翼、副翼的支臂交點(diǎn)位置及連接形式不變，以及前襟作動器、后襟翼旋轉(zhuǎn)作動器、副翼舵機(jī)的安裝位置及連接形式不變，為此，開展了復(fù)材翼盒整體化結(jié)構(gòu)方案設(shè)計工作。

1 結(jié)構(gòu)方案

1.1 技術(shù)要求

1）相比較現(xiàn)有金屬結(jié)構(gòu)重量降低10%—15%；

2）滿足某型教練機(jī)最嚴(yán)重載荷情況下的靜強(qiáng)度要求。

1.2 翼盒結(jié)構(gòu)方案

機(jī)翼翼盒的結(jié)構(gòu)形式主要有梁式、單塊式和多墻式。梁式結(jié)構(gòu)蒙皮很薄，一般在翼面高度較大處布置梁作為傳遞總體彎矩的構(gòu)件，多用于翼面結(jié)構(gòu)高度較大的低速飛機(jī)。單塊式結(jié)構(gòu)蒙皮較厚，與長桁、梁緣條組成可受軸力的壁板承受總體彎矩；縱向長桁布置較密，長桁截面積接近或略小于梁緣條；梁與壁板形成封閉的盒段增強(qiáng)翼面結(jié)構(gòu)的抗扭剛度；為充分發(fā)揮單塊式結(jié)構(gòu)受力特性，左右機(jī)翼最好連成整體貫穿機(jī)身。多墻式結(jié)構(gòu)布置較多的縱墻，蒙皮較厚，肋相對較少，根據(jù)受集中力的需要布置加強(qiáng)肋。

1）金屬翼盒結(jié)構(gòu)方案

金屬翼盒縱向布置5根梁，橫向布置11根翼肋、4塊上下整體壁板及口蓋。機(jī)翼盒段懸掛有3個外掛，分別布置在內(nèi)段5肋、外段9肋及翼尖(翼尖導(dǎo)發(fā)架)處。千斤頂支座布置在7肋～8肋之間靠近5梁的位置。前緣襟翼操縱作動筒分別固定在3肋～4肋和7肋～8肋的1梁～2梁之間。副翼舵機(jī)固定在6肋～8肋的3梁～4梁之間。機(jī)翼前緣布置有兩組前緣襟翼操縱作動筒，7組懸掛鉸鏈接頭。后襟艙布置有兩個襟翼懸掛支臂。副翼艙布置有三個副翼懸掛支臂。金屬翼盒結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 金屬結(jié)構(gòu)方案

2）復(fù)材翼盒結(jié)構(gòu)方案

復(fù)材翼盒可將梁與下壁板共固化組成下壁板組件，減少梁與下壁板的連接工作量。此外，相對于金屬結(jié)構(gòu)的11個肋，橫向連接過多，下壁板組件作為一個梁與壁板的整體件，也影響了肋的安裝通路。因此，復(fù)合材料翼盒選擇多墻式結(jié)構(gòu)是一個較好的選擇。從國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)來看，機(jī)翼采用復(fù)合材料時，很多飛機(jī)就選用了多墻式結(jié)構(gòu)，如JAS39、Rafale、EF2000等。

翼盒采用多墻式結(jié)構(gòu)時，可由公式n=1.12×B/h確定墻的數(shù)量（n）為7。根據(jù)多墻式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，肋的數(shù)量應(yīng)盡量減少?，F(xiàn)階段結(jié)合翼盒的交點(diǎn)位置，復(fù)材翼盒方案保留7個完整的肋。另外，下壁板與復(fù)材墻、加強(qiáng)筋共固化成下壁板組件；上壁板為復(fù)合材料加筋壁板；翼身對接接頭、掛梁肋、舵機(jī)安裝接頭支座等高應(yīng)力區(qū)接頭仍采用金屬件。下壁板組件、上壁板、金屬梁和加強(qiáng)肋采用機(jī)械連接方式形成機(jī)翼翼盒。詳見圖2。

2 翼盒結(jié)構(gòu)設(shè)計

復(fù)材翼盒縱向布置有7根墻，其中的2墻、3墻外段、4墻、5墻、6墻為復(fù)合材料件，1墻、3墻內(nèi)段、7墻為金屬件；橫向在原1肋、3肋、5肋、6肋、8肋、9肋、11肋處布置了全肋，在其他有交點(diǎn)要求的地方布置了短肋，所有的肋均為金屬件；上壁板為復(fù)合材料加筋壁板，下壁板和墻、加強(qiáng)筋整體共固化組成復(fù)合材料下壁板組件，詳見圖2。下壁板組件、上壁板、金屬梁和加強(qiáng)肋采用機(jī)械連接方式形成機(jī)翼翼盒。

2.1 整體油箱

復(fù)材翼盒整體油箱由3墻、7墻、1肋和5肋以及上、下壁板圍成，詳見圖3。這些構(gòu)件既是機(jī)翼受力構(gòu)件、又是油箱的周壁。油箱內(nèi)部有3肋以及4、5、6墻。整體油箱區(qū)長1150mm，寬850mm。

油箱廣泛采用HM109密封膠作為密封材料。鉚接密封形式主要有2種：進(jìn)口緊固件（BG系列單面連接螺栓、MBF系列大底角螺紋抽芯螺栓）需粘膠連接，鉚釘頭不再作處理，如圖4；普通鉚釘需粘膠連接，并在鉚釘頭涂膠密封，如圖5。螺栓密封形式見圖6。

油箱外圍的1肋、內(nèi)側(cè)3墻、5肋、7墻與上下壁板的連接處均需涂HM109密封膠，下翼面采用縫內(nèi)、縫外膠密封，上翼面采用縫內(nèi)膠密封，肋和梁連接處采用縫內(nèi)、縫外膠密封，密封形式見圖7。

圖2 復(fù)材結(jié)構(gòu)方案

圖4 進(jìn)口緊固件粘膠連接

圖5 普通鉚釘涂膠密封

翼盒防靜電措施為，在壁板內(nèi)表面涂一層H06-1030防靜電漆，外表面鋪設(shè)一層42-CU84A銅網(wǎng)。

2.2 上壁板組件

圖6 螺栓連接涂膠密封

上壁板采用單向帶層壓結(jié)構(gòu)、變厚度層合板，壁板厚度按載荷情況設(shè)計為階梯變化厚度。為增加壁板穩(wěn)定性，在上壁板原1～9肋軸線之間增加筋條（在開口處筋條打斷），其結(jié)構(gòu)如圖8所示。上壁板外表面需鋪貼一層銅網(wǎng)，銅網(wǎng)材料為42-CU84A，內(nèi)表面與金屬零件貼合處加一層EW100A玻璃布，采用熱壓罐固化成形工藝，將上壁板與筋條、玻璃布、銅網(wǎng)一起共固化成型。

圖7 油箱四周骨架密封形式

圖8 上壁板組件

上壁板鋪層：壁板根部厚度為9mm，在翼尖處逐漸過渡到2.5mm，見圖9。鋪層由［±45/?/03/45/0/-45/ 02/-45/(0/45)2/90/0/-45/(0/90)3/02/-45/0/45/0］，過渡為［±45/02/45/0/-45/02/90］s

圖9 上壁板厚度分布

T形筋緣條厚度3.75mm、筋條厚度7mm。緣條鋪層為[±45/?45/03/45/0/-45/02/-45/(0/45)2/90/0/-45/(0/ 90)2/02/-45/0/45/0]。筋條鋪層為[±45/?45/03/45/0/-45/ 02/-45/(0/45)2/90/0/-45/(0/90)2/02/90]。

2.3 下壁板組件

下壁板采用單向帶層壓結(jié)構(gòu)、階梯厚度層合板。為增加壁板穩(wěn)定性，在下壁板原1～5肋軸線之間增加筋條（1～3墻之間因?yàn)殚_口筋條僅到原3肋軸線附近），并采用整體化成形工藝將下壁板與各復(fù)材墻和筋條一起共固化成下壁板組件，結(jié)構(gòu)如圖10所示。墻軸線允許最大偏移量±0.5mm，墻緣條外形偏差-0.2/+0.1mm，壁厚偏差±8%。同上壁板一樣，其外表面需鋪貼一層42-CU84A銅網(wǎng)，內(nèi)表面與金屬零件貼合處加一層EW100A玻璃布。

下壁板鋪層：壁板根部厚度為9mm，在翼尖處逐漸過渡到2.5mm，見圖11。鋪層由[±45/?45/03/45/02/ ±45/02/(-45/0)2/45/90/0/-45/(0/90)2/-45/02/90]s，過渡為[±45/02/45/0/-45/02/90]s。

圖11 下壁板厚度分布

墻的結(jié)構(gòu)形式如圖12所示，墻緣條和墻腹板按載荷情況設(shè)計為階梯變化厚度。在1肋處墻腹板厚度4mm、上緣條厚度3.25mm、下緣條厚度2.75mm，在翼尖處墻腹板2mm、上緣條2mm、下緣條1.75mm。

墻腹板鋪層由[±45/?45/0/78/(0/-45)2/0/452/90/-45/90]s過渡為[±45/?45/0/45/-45/90]s。

上緣條鋪層由[±45/02/45/(0/-45)2/02/45/90]s過渡為[±45/02/±45/0/90]s。

下緣條鋪層[±45/?45/0/45/（0/-45）2/0/45/902/02/-45/02/45/02]過渡為[±45/0/45/90/-45/02/-45/02/45/02]。

圖12 墻

下壁板T形筋與上壁板相同。

上、下壁板選用T300級NY9200GA/HF10A碳纖維單向纖維預(yù)浸料，固化后單層厚度為0.125mm。

2.4 金屬墻

復(fù)材翼盒縱向件還包括1墻、3墻內(nèi)段和7墻共3個金屬材料件，詳見圖13。其中1墻由1墻內(nèi)段、1墻中段、1墻外段等三段組成，7墻由7墻內(nèi)段、內(nèi)側(cè)7小墻、7墻外段等部分組成。金屬墻選用進(jìn)口預(yù)拉伸板7475-T7351。

2.5 金屬肋

相對于原金屬結(jié)構(gòu)，復(fù)材翼盒橫向件僅保留翼身對接接頭、掛梁肋、舵機(jī)安裝等高應(yīng)力區(qū)接頭，這些肋有：1肋、3肋、隔板、5肋、6肋前段、6肋中后段、隔板、8肋前段、8肋中后段、9肋、隔板、11肋以及襟副翼懸掛接頭、支臂等，詳見圖14。這些零部件材料以進(jìn)口預(yù)拉伸板7050-T7451為主，部分選用國產(chǎn)預(yù)拉伸板LY12-BCZYu，1肋中后段選用TA15，采用機(jī)械加工方式成形，并以機(jī)械連接方式將這些零部件與壁板、墻等組合形成機(jī)翼翼盒。

圖13 金屬墻

圖14 金屬肋

2.6 口蓋

復(fù)合材料層合板壁板開口盡量少，下壁板僅在前后掛梁立軸處開4個供掛梁立軸安裝的圓孔；上壁板開口有：內(nèi)外前襟作動器安裝口蓋、副翼舵機(jī)安裝口蓋、翼尖導(dǎo)發(fā)架安裝口蓋以及前后掛梁立軸安裝孔，詳見圖15。

上述開口均為壁板直接開口，在壁板內(nèi)襯墊板的形式形成口框，口框材料為7475-T7351-δ；口蓋均采用復(fù)合材料。

2.7 緊固件

本課題純金屬結(jié)構(gòu)連接時采用螺栓或普通鉚釘，與復(fù)材相關(guān)的零件裝配時采用美國Monogram公司的Composi-LokR 3復(fù)材用平斷口大底角螺紋抽芯螺栓（MBF系列）及Ti-OSIR單面連接螺栓（BG系列）。MBF及BG系列螺栓為單面連接緊固件，相比普通緊固件及普通抽丁，具有以下優(yōu)勢：

1)電位腐蝕：普通緊固件材料（如剛、鋁合金）與碳/環(huán)氧基復(fù)合材料接觸有較大的電位差，會產(chǎn)生電位腐蝕。MBF及BG系列采用鈦合金制造，與碳纖維電位接近。

2)安裝損傷：復(fù)合材料層間強(qiáng)度低，承受垂直于板面方向的沖擊力，容易產(chǎn)生安裝損傷，引起結(jié)構(gòu)破壞。因此，采用機(jī)械連接的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，盡量選用螺接。必要時鉚接復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，盡量采用壓鉚，不宜采用錘鉚，更不宜用大功率鉚槍進(jìn)行鉚接。MBF及BG系列安裝時獨(dú)特的墩頭成型方式極大地減少了安裝損傷。

圖15 口蓋

3)拉脫強(qiáng)度：MBF及BG系列緊固件具有較大的拉緊力，抗拉脫能力較好。

3 計算與分析

3.1 重量計算及分析

經(jīng)計算，復(fù)合材料翼盒重量約為154kg，原金屬翼盒重量168kg，相比原金屬結(jié)構(gòu)減重5.6%，未達(dá)到減重10%～15%的目標(biāo)，其原因是由于機(jī)翼翼盒有較多的集中力接頭，如翼身對接接頭、內(nèi)外前襟吊掛接頭、內(nèi)外前襟作動器支座、襟翼支臂、副翼支臂、副翼舵機(jī)支座、掛梁、翼尖導(dǎo)發(fā)架等，這些集中力接頭均采用了金屬結(jié)構(gòu)。而為了保證這些集中力的傳遞及擴(kuò)散，設(shè)置了較多的肋，為保證裝配工藝性，這些相關(guān)的肋也采用了金屬結(jié)構(gòu)。如果不考慮上述集中力接頭，機(jī)翼上下壁板及墻減重12.5%（復(fù)材結(jié)構(gòu)上壁板及墻重98kg,金屬結(jié)構(gòu)上下壁板及梁重112kg）。詳細(xì)設(shè)計時均按T300級碳纖維設(shè)計，如改用T800級碳纖維設(shè)計，還有進(jìn)一步的減重空間。

3.2 強(qiáng)度分析

復(fù)合材料機(jī)翼盒段為多墻式結(jié)構(gòu)。蒙皮厚度較厚，是復(fù)合材料機(jī)翼盒段的主要受力構(gòu)件，除承受大部分彎矩引起的正應(yīng)力外，還承受扭矩引起的剪力；翼墻是復(fù)合材料機(jī)翼盒段的重要受力構(gòu)件，墻腹板主要承受剪應(yīng)力，墻緣條承受少部分彎矩引起的正應(yīng)力。在機(jī)翼根部，蒙皮與1肋緣條連接，因此，蒙皮承受的正應(yīng)力在機(jī)翼根部通過翼肋傳遞給機(jī)翼機(jī)身對接接頭再傳遞給機(jī)身；金屬墻緣條承受的正應(yīng)力通過機(jī)翼機(jī)身對接接頭傳遞給機(jī)身，復(fù)合材料墻緣條承受的正應(yīng)力通過機(jī)翼根部的蒙皮參與區(qū)再經(jīng)由機(jī)翼機(jī)身對接接頭傳遞給機(jī)身；墻腹板承受的剪力均傳遞給1肋，再經(jīng)由機(jī)翼機(jī)身對接接頭傳遞給機(jī)身。

經(jīng)強(qiáng)度校核，復(fù)材翼盒在現(xiàn)有載荷條件及結(jié)構(gòu)方案下，滿足靜強(qiáng)度設(shè)計要求。翼盒主要復(fù)材構(gòu)件的最小安全余量及穩(wěn)定性系數(shù)具體如表1所示。

表1 復(fù)材翼盒最小安全余量及穩(wěn)定性系數(shù)匯總

續(xù)表1

3 結(jié)語

經(jīng)設(shè)計評審，在保證原金屬翼盒交點(diǎn)位置不變的情況下，復(fù)材翼盒結(jié)構(gòu)方案布局合理，傳力直接，滿足靜強(qiáng)度設(shè)計要求。相對于原金屬翼盒方案，在采用T800級碳纖維設(shè)計情況下，復(fù)材翼盒可以達(dá)到減重10%指標(biāo)要求。結(jié)合工藝試驗(yàn)件研制情況，經(jīng)工藝評審，復(fù)材翼盒結(jié)構(gòu)方案工藝性良好，制造可行。

[1]王寶忠.飛機(jī)設(shè)計手冊第10冊·結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000,10.

[2]楊乃賓,章怡寧.復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002，5.

[3]沈真.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001，11.

[4]中國航空研究院.復(fù)合材料連接手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，1994，10.

[5]航空制造工程手冊總編委會.飛機(jī)結(jié)構(gòu)工藝性指南[M].北京：航空工業(yè)出版社，2010.

>>>作者簡介

劉杰，男，1981年出生，2005年畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，高級工程師，現(xiàn)從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

Structure Design on Composite Wing Box of an Aircraft

Liu Jie,Kong Lingjun,Li Xiaobao
(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)

Concerning the composite structure developed for an aircraft wing,this paper presents a comprehensive description on structure type,material system,sealing ways,process program etc.It verifies the feasibility of designing and manufacturing composite integration of main force-bearing structure,which provides the reference for engineering application of main force-bearing composite structure.

Composite material;Wing box;Integration;Structure design

2016-06-21）