復合材料壁板結構選型試驗研究

江姍 陳海波

摘 要：隨著科技的發展，復合材料越來越廣泛地應用于現代飛機上。本文對某型機的復合材料壁板結構進行了選型試驗研究，并對試驗結果進行了分析，為復合材料壁板結構的設計提供了參考和依據。

關鍵詞：復合材料;選型試驗;結構

中圖分類號：V214 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）12-0081-02

0引言

隨著科技的發展，復合材料已廣泛應用于軍用飛機和民用飛機上，對要求具有高強度重量比和高剛度重量比的結構，復合材料是最理想的材料。復合材料已逐漸取代鋁合金，成為結構設計的主要材料[3]。

復合材料壁板為結構的主承力部件，其所占的重量比例較大，對于結構減重具有重要的意義，因此，對于復合材料壁板結構，在既定材料、外形、結構布置和載荷前提條件下，需要通過結構選型試驗，結合優化分析，設計出滿足結構穩定性、強度等性能要求的重量最輕的壁板結構形式[1]。

1 試驗目的

復合材料壁板結構選型試驗件采用復合材料層壓平板類試驗件，試驗件長度和寬度尺寸各取某型機襟、副翼前后梁之間最大長度和典型肋距，平板試驗件選取四種類型（三種尺寸類型和一種加筋板類型），每種類型的壁板包括3種鋪層厚度形式。

本次試驗研究和比較三種厚度、兩種類型（加筋板和不加筋板）下的壁板剪切屈曲情況，找出最有效、最合理的結構形式，為強度校核提供試驗數據，為壁板結構選型提供依據，同時，在既定材料、外形、結構布置和載荷前提條件下，設計出滿足結構穩定性、強度等性能要求的重量最輕的機襟、副翼壁板結構形式。

2 試驗設計及結果分析

2.1適航要求

復合材料壁板結構強度試驗要符合MIL-HDBK-17中所推薦的方法，并且需滿足適用的CCAR 25（FAR 25）適航條款以及相應的咨詢通報（AC）的要求。

適用的CCAR 25（FAR 25）適航條款包括[2]：

（1）§25.601總則;

（2）§25.603材料;

（3）§25.605制造方法;

（4）§25.613材料的強度性能和設計值;

（5）AC 20-107BComposite Aircraft Structures;

（6）AC 21-26Quality Control for the Manufacture of Composite Materials。

2.2試驗概述

試驗件所用材料與某型機襟、副翼復合材料壁板選用的材料完全相同，為碳纖維織物，試驗件中間為試驗區，周邊為加載區。為了保證試驗件在試驗區發生破壞，在四邊加載區增加了鋪層，同時在加載區壁板兩面用鋁板進行了加固，鋁板材料為鋁合金。

2.3試驗內容

2.3.1試驗加載

復合材料壁板結構選型試驗是面內剪切試驗，剪切載荷是在試驗件四邊通過螺栓施加與試驗件邊界平行的載荷，在對角線上再由螺栓合成為一個合力，使試驗件處于對角拉伸狀態，載荷方向過試驗件形心，受力形式及加載方式如圖1所示。

本試驗中，試驗件最大承載能力由試驗確定。因此，試驗前按照經驗初步確定一個加載步長ΔP=4kN，以此載荷增量逐級加載并進行應變測量。

2.3.2試驗測量

壁板剪切試驗受力形式是壁板的加載對角線方向受拉伸載荷作用，另一個對角線方向受壓縮載荷作用。因此，壓縮一般會使壁板局部或整體較早進入屈曲狀態，繼續加載可引起壁板發生壓縮和拉伸破壞，所以，屈曲載荷要比破壞載荷小很多。布置應變片時應在壁板容易發生彎曲部位的正、反兩個面的對應點上粘貼，通過應變測量可以觀測屈曲位置、屈曲載荷以及壁板在極限載荷下的破壞應變。

2.3.3試驗結果及分析

（1）破壞載荷。按照加載步長ΔP=4kN將試驗件加載至破壞，記錄對應的載荷值與應變值。

（2）屈曲載荷。在本試驗中，因為試驗件試驗區較薄，長寬比大，各試驗件平面度也不盡相同，受載后會產生多個屈曲波（即半波），因此，不同位置應變片會有不同的屈曲載荷，使屈曲載荷的確定變得很困難。從強度角度來說，屈曲載荷應該是壁板中的最小屈曲載荷，但是薄板中個別點屈曲載荷太小，對應著數十個微應變，與破壞應變比較過于保守，故在確定屈曲載荷時采用多個位置綜合考慮。一般位于板邊界支持附近點的屈曲載荷高，距離邊界遠點的區域屈曲載荷低，因此，用全部測量點上屈曲載荷平均值作為該試驗件的屈曲載荷，實際屈曲載荷應該低于此值或在此值附近。

測量點屈曲載荷的確定，是以該測量點屈曲時，載荷——應變曲線上的某點應變的絕對值大于其前后兩點應變的絕對值，將此點作為屈曲點。如圖2所示，將A點定義為屈曲點，A點前后兩點的應變絕對值均小于A點。

如果試驗件初始就不平，也就是說，壁板中面在自然狀態下不是平面，特別是薄板，則初始受載時壁板就會產生彎曲，在剪切力產生的拉、壓應變上就疊加了彎曲應變，因此，從一開始加載測量點上正反面兩個應變片應變值便朝著正、負兩個方向變化（屈曲前應該是一致的），使屈曲載荷很小（如圖3中的曲線A-5和B-5）。顯然，用此兩點來確定壁板的屈曲載荷是不合適的，低于真實的屈曲載荷。因此，壁板的平面度對薄板的剪切屈曲影響很大。

對破壞載荷與屈曲載荷進行了對比，可以看出，隨著鋪層數增加，屈曲載荷增大，二者比值下降，表明增加鋪層對提高屈曲載荷的作用超過了對破壞載荷作用。

比較加筋板與不加筋板試驗件，可以看出，同樣的鋪層，加筋后屈曲載荷可提高1倍左右，但不會提高破壞載荷。從試驗結果還可以看出，在結構長寬尺寸允許情況下，適當增大長寬比能顯著提高壁板的屈曲載荷。

（3）破壞模式。從破壞模式看，絕大部分試驗件破壞時的斷口在力作用線方向，主要是彎曲破壞。部分壁板中有多個屈曲波，導致斷口并不在試驗件對角線上。由于屈曲產生彎曲，夾具限制了壁板自由邊的轉動，使板在夾具邊界附近折斷。另外，彎曲破壞的同時也伴有拉伸破壞，如長寬比較大的第一類試驗件。

2.4試驗結果分析

通過對試驗件數據進行對比，得出在剪切載荷作用下，相對于增加兩層鋪層，增加長桁能更有效地提高試驗件的屈曲載荷。

根據《飛機設計手冊》第九冊，正交各向異性矩形平板的剪切屈曲受載情況，計算剪切屈曲載荷，并將計算值與試驗測量值進行對比，發現所有類型試驗件的試驗平均測量值均低于理論計算值，這是因為，剪切屈曲載荷計算公式基于四邊剪流均勻分布，矩形板為理想平板，而實際試驗加載過程中，由于局部出現應力集中，導致加載點附近釘載高于其他位置釘載，而且矩形板也不是理想的平板，所以在實際加載過程中，試驗件上某些點可能提前進入屈曲，導致試驗測量值低于理論計算值。

通過復合材料壁板選型試驗，可以了解到，相同鋪層條件下，長寬比大的試驗件屈曲載荷高于長寬比小的試驗件，特別是對于長寬比小的薄板，另一方面，壁板中面初始平整度對屈曲載荷影響很大，對同一尺寸試驗件，鋪層增加兩層，可提高屈曲載荷1倍左右，且有筋條的屈曲載荷大約比無筋條的提高近1倍，但筋條對破壞載荷沒有影響。

3結論

復合材料壁板選型試驗對于強度校核以及后續飛機結構優化設計具有重要意義。在進行飛機壁板結構設計時，要綜合考慮鋪層條件、尺寸條件、以及板面平整度條件，力求設計出滿足結構、強度等性能要求的重量最輕的壁板結構形式。

參考文獻

[1] 《飛機設計手冊》總編委會.飛機設計手冊 第10冊[M].北京：航空工業出版社，2001.

[2] CCAR-25-R4，運輸類飛機適航標準[S].2011.

[3] 牛春勻，程小全，張紀奎.實用飛機復合材料結構設計與制造[M].北京：航空工業出版社，2010.