飞机结构分析与设计

1. 飞机结构分析与设计 第 十八讲

2. §8.4 复合材料飞机结构典型型式 飞行器结构上采用的复合材料结构型式是与当时的材料、制造、设计、检验、维修等各方面的水平密切相关的。在分析和理解复合材料结构型式时，应该带着开放心态和发展的眼光，既要与它们所属的机种、用途、性能结合，还要了解当时复合材料技术的发展水平。 一、复合材料翼盒类结构的结构型式 • 复合材料翼盒类结构包括尾翼、机翼，以及襟翼、舵面等各类活动翼面。 • 根据复合材料的性能和制造工艺特点，复合材料翼盒结构型式大多与金属结构中的单块式、多腹板式相似。

3. （1）单块式结构 • 结构特点：该结构型式由蒙皮、筋条、肋和梁共同构成的受力盒段。一般蒙皮较薄，筋(相当于长桁)条较强，多肋，在飞机尾翼的安定面中双梁居多。 • 铺层特点：其中蒙皮主要受面内载荷，铺层情况由面内载荷决定，一般采用π/4层合板。弯矩引起的轴向载荷由筋条、梁缘条和蒙皮组成的壁板承受，因此筋条与缘条以0º铺层为主。梁腹板可由所受剪力确定±45º铺层数，再由泊松比或屈曲等其他要求确定90º，0º铺层数。 • 连接形式：各元件之间有用二次固化或机械连接，也有采用共固化工艺将不同的元件直接做成整体结构。

4. 采用机械连接装配的实例波音-737水平安定面翼盒采用机械连接装配的实例波音-737水平安定面翼盒

5. （2）多墙(多梁)式结构 • 结构特点1：一般蒙皮较厚，有多个墙(或梁) 。复合材料多墙式结构一个明显的优点是，可将其设计成一侧蒙皮（通常为下翼面蒙皮）与全高度的复合材料梁(或墙)共固化成整体件，再把上蒙皮用高锁紧螺栓将它们装配在一起。 • 结构特点2：对某些小型飞机的全复合材料机翼，在采用夹层蒙皮时可以采用只布置梁、肋的梁式结构，没有长桁或筋条。 （3）全高度夹层结构 对于某些薄翼型或楔形结构，可以采用全高度复合材料夹层结构，这样能够大大减少层合板上的连接孔和紧固件的数量。

6. 二、复合材料机身的结构型式 复合材料机身的结构型式与金属结构类似，大多为半硬壳式结构，且大多采用共固化技术制成整体件。 前机身承受载荷较小，按刚度设计，结构不复杂。 在进行AV-8B结构改型时，把前机身列为采用复合材料的候选结构部位。 直升机机体结构有构架式、桁梁式，以及有两者混合的结构型式。由于直升机飞行高度低、速度慢，载荷相对小，不存在气动热问题，这给直升机结构采用复合材料设计提供了得天独厚的条件。欧洲“虎”、V-22、NH-90和最先进的RAH-66（科曼奇）等都是20世纪90年代初研制的，几乎都达到全复合材料机体结构的水平。

7. §8.5复合材料设计许用值的确定 一、复合材料结构采用许用应变设计的原因 • 金属材料设计许用值以应力表示，称许用应力，为在各种工作条件下，为保证构件正常使用允许的最大应力。 • 复合材料结构设计许用值多采用应变值来表示。这是因为 • 金属材料是各向同性的，在屈服应力以下应力-应变关系呈线性，许用应力和许用应变是一致的。纤维增强复合材料是各向异性的，纵向强度与模量比横向的高出近两个数量级，可两个方向破坏应变相差却较小； • 再则，层合板应变沿厚度方向分布是线性的，应力分布却不规则。厚度相同，铺层方向不同的层合板破坏应力可以相差很大，而破坏应变相差并不大。

8. 二、设计许用值的定义 • 许用值是材料性能许用值的简称，其定义为在一定的载荷与环境条件下，由试样、元件或细节件等试验数据，经统计分析后确定，并具有一定置信度和可靠度的性能表征值。 复合材料的许用值建立在层合板这种具有结构特性的“材料”上，主要描述或表征复合材料层合板的性能。 • 设计许用值是结构设计许用值的简称，其定义是为保证整个结构的完整性具有高置信度，在许用值的基础上，由设计师规定的设计(或使用)载荷下的限制值。 • 设计许用值是结构设计思想、设计要求的具体体现，以及设计师设计经验与教训的结晶。

9. 设计许用值与许用值的关系： • 设计许用值和许用值二者有着密不可分的关系。 • 由于设计许用值要保证结构满足完整性大纲的要求，新材料、新工艺和新的设计方法等的引入，都会对结构完整性提出新的要求，从而对许用值的测试提出新的内容。只有当具有足够的许用值数据时，设计师才有可能在此基础上确定设计许用值。 飞行器结构的设计在不断发展，设计许用值的确定原则也在不断发展。当新的东西引入时，设计师不一定马上就能认识到它对结构带来的新问题，因此确定设计许用值时可能会处理不当。

10. 三、确定设计许用值的一般原则 （1）结构拉伸设计许用值主要取决于含孔试样的许用值，结构压缩设计许用值主要取决于含冲击损伤试样的许用值。 （2）薄蒙皮或薄面板蜂窝夹层结构设计许用值的确定，还需根据设计要求考虑屈曲的影响。如果其设计许用值主要取决于屈曲影响时，还需增加考虑冲击损伤影响的附加系数(小于1，如0.8)。 确定设计许用值的基础是许用值，而许用值的确定除了材料性能试验外还需要结构元件，甚至典型结构的试验。对于复合材料，由于它的可设计性，即使是简单的光滑层合板试件，因为涉及到铺层的方向和顺序，也很难把它明确地归为“材料”性能试件，因此在确定复合材料结构的设计许用值时，往往必须知道其铺层参数。

11. 四、设计许用值的确定方法 • 拉伸设计许用应变的确定，将足够数量(由数据的可靠性要求决定)结构用典型铺层的开孔(6.35mm孔径)和紧固件的试样，在室温大气环境下进行单轴拉伸试验，并用一定数量(通常有效数据不少于5个)同种试样，在最严重的使用环境条件(通常为干冷环境) 下，进行同样的试验，测定它们的极限强度和断裂应变。对所有这些数据进行数理统计处理，并考虑最严重的环境条件引起的性能退化。在所有这些数据的基础上确定拉伸设计许用值。

12. 压缩设计许用应变的确定: • 对设计时可以不计屈曲的结构，将足够数量(由数据的可靠性要求决定)结构用典型铺层开孔(6.35mm孔径)和含冲击损伤(冲击损伤的尺寸按所考虑结构部位的损伤容限要求而定)的试样，在室温大气环境下进行单轴压缩试验。对所有这些数据进行数理统计处理，在所有这些数据的基础上确定压缩设计许用值，可不必进一步考虑环境条件引起的压缩性能退化。这是因为结构损伤容限要求中的初始缺陷假设是目视勉强可见的冲击损伤，这种损伤除了在关键部位出现的概率很低以外，而且一旦出现，不会允许含这种损伤的结构继续使用。

13. 对于必须考虑屈曲的薄蒙皮结构，除按上述方法确定其许用值外，还必须采用具体结构元件的压缩(或压剪复合)试验，或由试验数据支持的分析方法，来确定结构的许用值。取其中较低值为该结构的压缩设计许用值。 压缩设计许用应变的确定: • 剪切设计许用应变的确定，应用足够数量(由数据的可靠性要求决定)±45o铺层层合板试样，按两种方法进行试验并获取数据，取其中的较低值，并经数理统计处理后确定剪切设计许用值。一种试验方法是，在最严重的环境条件(通常为湿热)下进行多次加载-卸载的拉伸(或压缩)试验，并逐步加大峰值载荷，测定无残余变形的最大剪切应变值；另一种试验方法是，在最严重的环境条件(通常为湿热)下，多次施加小载荷后，将其单调拉伸加载至破坏，测定各级载荷下的应力和应变，由应力-应变曲线上线性段的最高值确定其剪切应变值。

14. 公 司 部件名称 材料体系 拉伸设计许用值() 压缩设计许用值() 单向带 织 物 单向带 织 物 洛克希德 L-1011垂直安定面 T300/5208 4 500 3 900 4 000 4 000 波 音 B727水平安定面 T300/5208 4 000 波 音 B1水平安定面 AS/3501 3 600 麦克唐纳 F18A/B机翼 AS4/3501-4 4 000 4 000 麦克唐纳 AV-8B机翼 4 000 4 000 BAe 安定面 XAS/914C 4 500 3 530 3 900 2 830 MBB A310垂直安定面 T300/913C 2800 2800 MBB A320垂直安定面 T300/913C 3 200 3 200 DA TORNADO主起舱门 T800/5245 5500 4200 中国 歼击机机翼 HT3/QY8911 HT3/5405 5 300 4 000 中国 歼击机鸭翼、垂直安定面 HT3/QY8911 5 300 4 000 603所 Y7垂直安定面 T300/913C 3 200 3 200 现有部分复合材料结构部件所用的设计许用值

15. 翼面类结构型式 复合材料航空飞行器结构的典型结构型式 飞机机身结构型式 直升机机身结构型式 设计许用值的使用原因 复合材料的设计许用值 设计许用值的定义 确定设计许用值的一般原则与方法 总 结

16. 练 习 题 题1：复合材料翼盒类结构主要采用哪种结构型式？为什么？ 题2：复合材料结构为什么采用许用应变设计?

17. 第十八讲结束 谢 谢

18. 欧洲EAP战斗机复合材料机翼采用多墙式结构有11根复合材料J形梁和前、后两根铝合金梁。欧洲EAP战斗机复合材料机翼采用多墙式结构有11根复合材料J形梁和前、后两根铝合金梁。