復合材料平尾懸掛框設計

葉 軍

自從碳纖維復合材料在1960年被應用以來，因其具有優異的性能而廣泛用于軍用飛機。碳纖維復合材料，由于其優異的性能用在飛機主結構上與相類似的金屬結構比較減重達20%～30%[1-2].

對于機身平尾懸掛框來說承受比較大的集中載荷（平尾載荷），要采用復合材料也面臨較大的困難。平尾懸掛框主要功能包括三方面：（1）為平尾轉軸提供支持；（2）作為平尾開口的后端框，承擔開口加強及擴散載荷的作用；（3）為便于整體平尾的安裝、拆卸，作為機身的設計分離面。

本文以某飛機為案例，研究復合材料平尾懸掛框設計，詳細闡述了初步設計和細節設計，為相關工程設計提供參考。

1 平尾懸掛框初步設計

1.1 選材

材料選取方面遵循以下原則：

（1）以滿足設計總目標為選材的總目標，即大型客機材料的選擇滿足飛機的總體技術要求及適航要求；

（2）滿足相關的結構設計準則要求，材料體系基于當前先進客機使用的主流產品，兼顧成熟性和先進性；

（3）應重視材料的工藝性，工業化批量供應的能力和質量穩定性，注意材料的成本控制；

（4）以減輕結構重量為主要目標，盡可能選用比強度高、綜合性能好的材料。

1.2 載荷

平尾懸掛框承受平尾傳來的面內載荷（垂向載荷和側向載荷）。載荷通過平尾接頭與框腹板的連接傳遞給框板，然后通過框緣與壁板的連接擴散到機身壁板上。

1.3 框選型

框腹板受剪力為主，失效模式主要是穩定性失效。通過布置筋條的方式能有效地提高框腹板的穩定性。框腹板的輪廓尺寸由機身的外形尺寸和機身蒙皮厚度尺寸等確定。框腹板上需要先確定維修口的位置及大小，再確定筋條截面形式和尺寸以及間距。

維修口尺寸比較大，優先采用方形大開口，開口四邊可以通過筋條來加強，有利于傳遞載荷，但方形開口的四個角半徑適當加大，減少纖維的剪斷。

筋條剖面結構形式主要有T形、J形、I形，帽形等，如圖1所示。

圖1 常見筋條剖面形狀

按筋條的結構形式可以分為開敞和閉腔兩種結構形式。閉腔加筋的工藝形式比開敞加筋結構工藝性要差，閉腔加筋結構的扭轉剛度和彎曲穩定性能大大優于開敞加筋結構。按結構形式I、J、T的順序工藝性難度降低，結構效率遞減。從蒙皮與加強筋結合考慮，L形加強筋易發生分層。開敞型筋條便于修理和安裝支架等其他結構。筋條設計應盡量選用對稱的筋條，避免在受力時筋條的轉角處出現剝離。綜上所述，筋條優先選擇開敞型筋條。維修口四邊加強筋條優先選擇“工”型，其他筋條優先選擇“T”型。如下圖2所示。

圖2 筋條選用

2 平尾懸掛框的細節設計

初步設計完成后需進行詳細設計，完善結構細節的設計。平尾懸掛框的細節設計主要從以下幾方面進行設計考慮。

2.1 過渡區設計

考慮制造和強度要求，當厚度有變化時，層壓板的丟層斜率應遵循下列規則：（1）不大于1∶20，在主承力方向；（2）不大于 1∶10，其他任意方向；（3）不大于1∶5，斜坡上沒有大的載荷傳遞的部位；（4）在連接界面區域，建議采用更小的斜率，如1∶40.

某飛機鋪層過渡區采用1∶10的斜率，如圖3所示。

圖3 過渡區鋪層遞減示意圖

2.2 筋條端頭設計

筋條端頭區域由于幾何突變及剛度變化導致應力集中，且筋條端頭與腹板之間容易發生分層破壞。通過筋條腹板斜削和筋條臥邊增加緊固件來抑制裂紋的擴展。不同載荷大小采用不同的斜削方式，以及不同的緊固件布置方式。筋條腹板按照30°斜削過渡，終止在肋腹板處，無丟層。

筋條端部的臥邊需與框緣連接，保證筋條載荷更好的傳遞到框緣上。一般情況下與筋條端頭上起止裂作用的緊固件共鉚。

筋條端頭設計采用腹板斜削以及端頭臥邊緊固件止裂的設計理念，如圖4所示。

圖4 筋條端頭設計

2.3 異電位防腐設計

復合材料結構與鋁合金結構或鋼結構存在電位差。為了防止對鋁合金結構或鋼結構發生異電位腐蝕，采用了以下措施：

（1）與鋁合金或鋼零件接觸表面增加共固化玻璃布，玻璃布隔離層超過相連金屬邊緣的所有方向25.4 mm.某飛機框緣與復合材料框腹板連接處增加共固化玻璃布CMS-CP-313，超過連接金屬邊緣的25.4 mm，如圖5深色區域所示。

圖5 玻璃布的布置

（2）復合材料零件裝配建議使用鈦合金或耐蝕鋼緊固件同時進行濕安裝。

某飛機復合材料框與框緣的連接緊固件采用鈦合金高鎖螺栓和高鎖螺栓組合（CFBL1001/CFNT1003），并進行濕安裝，如圖6所示。

圖6 濕安裝

3 結束語

（1）平尾懸掛框初步設計需考慮框輪廓尺寸的確定、維修口尺寸的確定及筋條截面的選型；

（2）平尾懸掛框細節設計中關注鋪層過渡區、筋條端頭處以及異電位防腐等方面。

[1]益小蘇，杜善義，張立同，等.復合材料手冊[M].北京：化學工業出版社，2009.

[2]沈 真.復合材料結構設計手冊[M].北京：航空工業出版社，2001.