寬體客機復合材料加筋板根部對接分離面設計

秦 杰,高 偉,陳林霜,張海軍

(1.航空工業第一飛機設計研究院 總體氣動設計研究所,西安 710089;2.中航西安飛機工業集團股份有限公司 財務管理部,西安 710089)

隨著復合材料結構設計經驗的積累、制造工藝水平的發展及生產成本的降低等, 復合材料應用已經從整流罩、前后緣、擾流板等機體次承力結構,到機翼級等機體主承力結構[1]。復合材料機翼較金屬機翼可以充分發揮復合材料結構輕質、高效的優點,但是也需解決對接分離面處復合材料主結構承受面外附加彎曲載荷的技術難題[2-3]。早期大型客機機翼根部對接一般采用設計分離面以滿足裝配、運輸、更換等要求,但是設計分離面帶來了結構重量增加、結構和剛度不連續、應力集中嚴重、疲勞強度降低等眾多不利因素;80年代以后發展的大型客機機翼根部一般采用工藝分離面設計,通過分散對接結構形式以提高機身內部空間利用率、減輕結構重量,但是此種結構形式機翼加筋壁板將承受翼面70%以上彎矩所轉化的拉伸、壓縮載荷,且加筋壁板從等直段到對接分離面處中心線變化較大,最終導致加筋壁板根部形成較大的附加彎曲載荷[4]。當前先進客機A350飛機和B787飛機機翼根部分離面均采用工藝分離面設計,且加筋壁板均采用復合材料層壓加筋結構,國內在此處細節設計尚沒有工程應用經驗,因此有必要借鑒國外先進客機大尺寸復合材料加筋壁板根部對接細節設計經驗,獲取滿足國內研制需求的對接分離面正確設計思想。

1 加筋壁板根部對接

客機機翼加筋壁板主要承受彎矩轉化的軸向拉伸、壓縮載荷,因此加筋壁板根部對接主要考慮軸向載荷的傳遞和剛度突變產生附加彎曲載荷的平衡。

金屬機翼上壁板主要承受壓縮載荷,對接分離面處一般采用“土”字型結構對接,金屬機翼上壁板“土”字型對接結構如圖1所示。壁板蒙皮外表面與“土”字型結構下緣條貼合,通過緊固件機械連接形成單剪結構;長桁上緣條與“土”字型結構上緣條貼合,通過緊固件機械連接也形成單剪結構;壁板和“土”字型結構通過兩個單剪對接結構形成整體雙剪結構,有效傳遞壁板的軸向壓縮載荷。此種結構形式根部剛度大,能一定程度降低附加彎曲的不利因素影響;同時根部支持系數較大,可以有效提高上壁板臨界屈曲載荷。但是此種結構形式工藝復雜、協調界面多、裝配協調加墊工作量大,處理不當容易產生裝配應力,或變形協調時產生較大的附加內應力。

金屬機翼下壁板主要承受拉伸載荷,對接分離面處一般采用“丄”字型結構對接。壁板蒙皮內表面與“丄”字型結構緣條貼合、外表面與對接帶板貼合,最終通過緊固件機械連接成雙剪結構;長桁遇到“丄”字型結構自然截止,通過長桁接頭與“丄”字型結構腹板進行連接,長桁緣條斜削過渡,金屬機翼下壁板“丄”字型對接結構如圖2所示。此種結構形式載荷傳遞不如“土”字型結構直接,但是工藝簡單,所以一般應用于金屬機翼下壁板。

圖2 金屬機翼下壁板“丄”字型對接結構

復合材料機翼根部載荷傳遞路線與金屬機翼類似,但是細節又存在不同,主要體現在分離面處剛度突變產生的面外附加載荷對復合材料層間剝離的影響、復合材料制件的變形控制及裝配間隙補償的影響和復合材料結構與金屬對接結構熱應力的影響。傳統金屬翼面“土”字型對接結構和“丄”字型對接結構是否適用復合材料機翼根部對接需詳細的工程應用理論分析和試驗驗證。

1.1 A350飛機機翼加筋壁板對接

A350飛機機翼壁板采用復合材料層壓加筋結構,較空客其他系列飛機翼面材料體系(金屬翼面壁板)不同,但是壁板根部對接結構繼承了空客其他系列飛機典型的“丄”字型對接結構思想[5-7]。A350飛機機翼壁板根部對接示意圖如圖3所示。

圖3 A350飛機機翼壁板根部對接示意圖

外翼上壁板與中央翼上壁板之間通過“丄”字型結構、長桁對接結構進行載荷搜集、傳遞。“丄”字型結構位于上壁板外表面,緣條與上壁板通過四排緊固件機械連接成整體;長桁對接結構位于上壁板內表面,結構形式為三面角盒式結構,一面與上壁板長桁緣條、“丄”字型結構緣條共用三排緊固件機械連接形成雙剪結構,一面與“丄”字型結構腹板通過機械連接成整體,一面是為降低上壁板剛度突變設計的加強筋條。

復合材料機翼較金屬機翼上壁板根部對接結構形式主要區別在于長桁末端細節處理方式不同。為有效提高長桁對壁板的支持系數和降低剛度突變對層壓結構附加彎曲的影響,復合材料機翼上壁板長桁一直延伸至壁板根部,且末端斜削特定角度;為降低長桁制造難度,長桁對接接頭更改為與長桁下緣條連接、“丄”字型結構緣條由壁板內表面貼合更改至外表面貼合,最終長桁對接接頭和“丄”字型結構對壁板形成雙剪結構。

外翼下壁板與中央翼下壁板之間通過“丄”字型結構、對接帶板結構進行載荷搜集、傳遞。對接帶板結構位于下壁板外表面,與下壁板通過四排緊固件機械連接成整體。“丄”字型結構位于下壁板內表面,與下壁板長桁緣條、對接帶板結構共用三排緊固件機械連接成整體。下壁板長桁腹板插入“丄”字型結構部分緣條,截止于第二排和第三排緊固件之間,且末端斜削特定角度。

復合材料機翼下壁板根部對接設計主要特點:長桁腹板截止于“丄”字型結構緣條第二排和第三排緊固件之間,將長桁腹板的載荷提前過渡到長桁下緣條,確保長桁腹板的載荷提前傳遞給分離面處對接結構,適當降低根部附加彎曲載荷;長桁腹板斜削角θ對此處的附加彎曲影響較大,受拉伸載荷為主的復合材料加筋壁板長桁腹板斜削角θ取值范圍15°≤θ≤25°;外翼下壁板剛心線和中央翼下壁板剛心線交點要落在分離面翼肋平面上,剛度突變產生的附加彎曲盡量通過對接翼肋平衡。

1.2 B787飛機機翼加筋壁板對接

B787飛機機翼壁板與A350飛機機翼壁板主要區別在于設計成“工”字型加筋結構,所以其機翼壁板載荷的傳遞設計有兩條傳力路徑,即加筋壁板的載荷一部分通過蒙皮傳遞給對接結構,另一部分通過長桁上緣條傳遞給對接結構。考慮復合材料制件公差大和層間界面較弱的特點,B787飛機機翼壁板根部對接結構形式繼承了波音系列飛機典型的“土”字型對接結構思想,但是其具體對接結構形式與金屬翼面 “土”字型對接結構不完全相同[8-12]。B787飛機機翼壁板根部對接示意圖如圖4所示。

圖4 B787飛機機翼壁板根部對接示意圖

上壁板為長桁,增加對蒙皮的支持系數、降低剛度突變附加彎曲的影響,將長桁延伸至壁板根部,“土”字型對接結構下緣條只能布置于上壁板外表面;考慮制件的公差、補償墊片對壓縮載荷產生附加彎曲的影響,“土”字型對接結構上緣條改成對接角盒的組合結構,通過對接角盒將上壁板長桁上緣條與“土”字型對接結構連接成整體。

下壁板采用了“土”字型整體對接結構,因復合材料制件公差較大,并未采取金屬壁板“土”字型套合結構形式對接,而是將“土”字型對接結構下緣條與下壁板蒙皮內表面貼合、上緣條與長桁上緣條貼合(貼后面設計有補償墊片),通過機械連接成整體,同時考慮長桁提前截止、壁板蒙皮局部附加彎曲載荷,在壁板外表面設計對接帶板,從而壁板蒙皮對接處形成雙剪結構。因下壁板長桁提前截止,長桁下緣條末端通過四套緊固件將長桁下緣條和蒙皮連接成整體,長桁末端設計成魚嘴形結構形式。

2 加筋壁板根部對接驗證

復合材料加筋壁板根部設計主要是受軸向載荷的傳遞和根部附加彎曲載荷對復合材料層間的影響。因根部結構厚度尺寸較大、受壓屈曲不是主要考慮因素,拉伸載荷或壓縮載荷均因剛度突變會對根部產生附加彎曲載荷,且最終轉化成加筋壁板的面外剝離載荷,所以主要考慮基于拉伸載荷工況的加筋壁板根部對接載荷的傳遞(下壁板長桁提前截止,其附加彎曲載荷較上壁板嚴酷)。

2.1 “丄”字型對接結構驗證

加筋壁板材料選用180 °C固化碳纖維環氧單向帶復合材料,對接結構材料選用鋁鋰合金金屬材料。由于長桁軸線布置原因,緊固件沿長桁腹板兩側非對稱布置,一側布置一列四排緊固件,另一側布置兩列四排緊固件。“丄”字型對接結構示意圖如圖5所示。

圖5 “丄”字型對接結構示意圖

采用MSC Patran軟件建立對接結構有限元模型。壁板蒙皮和長桁采用QUAD4殼單元模擬,緊固件由CWELD單元模擬,模型從對接肋平面一側截斷,截面處施加對稱約束,壁板自由端沿長桁軸線施加1 mm位移載荷。“丄”字型對接結構應力云圖如圖6所示。

圖6 “丄”字型對接結構應力云圖

對加筋壁板對接結構進行試驗驗證,“丄”字型對接結構失效模式如圖7所示。

圖7 “丄”字型對接結構失效模式

A350飛機機翼加筋壁板對接方式為典型的雙剪連接,可以有效降低偏心彎矩載荷,但長桁末端剛度突變產生的面外附加剝離載荷仍然是加筋壁板主要失效載荷,且由于復合材料各向異性,釘載分配嚴重不均勻。加筋壁板失效是位于長桁末端面外剝離失效和第一排緊固件擠壓拉斷失效。通過對緊固件載荷進行分析,翼肋對接緣條傳遞總載荷的60%,對接帶板傳遞總載荷的40%。

2.2 “土”字型對接結構驗證

B787飛機機翼加筋壁板材料選用與A350飛機機翼類似,均采用180 °C固化碳纖維環氧單向帶復合材料,但是對接結構材料選用了與復合材料熱膨脹系數差異不大的鈦合金金屬材料。由于對接結構采用雙傳力路線,且工藝限制,所以加筋壁板蒙皮、長桁上緣條均通過兩排兩列緊固件與對接結構連接。“土”字型對接結構示意圖如圖8所示。

圖8 “土”字型對接結構示意圖

按2.1節所述結構模型簡化方法構建有限元計算模型,“土”字型對接結構應力云圖如圖9所示。

圖9 “土”字型對接結構應力云圖

對加筋壁板對接結構進行試驗驗證,“土”字型對接結構失效模式如圖10所示。

圖10 “土”字型對接結構失效模式

加筋壁板失效是位于長桁末端面斜削外剝離失效和第一排緊固件擠壓拉斷失效。通過對緊固件載荷進行分析,長桁上緣條對接處傳遞總載荷的35%,壁板蒙皮對接帶板傳遞總載荷的65%。

3 對接方案討論

復合材料機翼加筋壁板根部對接需考慮以下幾點:

(1)長桁軸線布置。大尺寸復合材料加筋壁板根部對接載荷較大,長桁軸線布置需考慮根部對接緊固件列數的排布,盡量將緊固件對稱布置于長桁腹板平面兩側。若緊固件不能對稱布置于長桁腹板平面兩側,需仔細評估靠近長桁腹板列緊固件與靠近長桁側邊列緊固件載荷的差異,確保靠近長桁腹板列緊固件孔不發生擠壓破壞。

(2)對接結構材料選擇。不同對接結構形式的對接結構材料選用不同。“丄”字型對接結構工藝簡單,裝配過程中工藝補償墊片較少,所以對接結構材料可以采用抗疲勞裂紋擴展性、斷裂韌性和耐腐蝕性能更好的鋁鋰合金;“土”字型對接結構工藝復雜,裝配過程中工藝需補償墊片較多,且可能存在局部厚墊片,所以對接結構材料采用與復合材料加筋壁板相容性較好的鈦合金材料。

(3)工藝性。單根長桁加筋壁板對接試驗件裝配過程中,“土”字型對接結構裝配難度較“丄”字型對接結構大,且承載能力試驗中先于“丄”字型對接結構破壞。若采用“土”字型對接結構設計需對加筋壁板變形進行嚴格控制和對工藝補償墊片仔細考量。

(4)熱應力影響。分離面處是對接涉及金屬結構與復合材料結構的混雜連接。翼面根部弦向尺寸較大,所以此處熱膨脹載荷的影響不容忽視。B787飛機根部對接結構采用了與復合材料熱膨脹系數差異不大的鈦合金材料,受鈦合金成形工藝、裝配風險等因素影響,機翼根部單側對接結構僅布置兩排緊固件;A350飛機根部對接結構采用了鋁鋰合金,鋁鋰合金成形工藝較鈦合金簡單,可以充分發揮翼展方向結構布置空間,但是其與復合材料熱膨脹系數差異較大,需考慮溫度載荷的附加影響。

(5)復合材料加筋壁板承受面外載荷能力較弱,根部細節設計時需注意長桁末端斜削角設計和長桁腹板載荷傳遞設計,進而有效的降低剛度突變和變形協調產生的加筋壁板面外剝離載荷。

(6)復合材料加筋壁板根部對接區域混雜結構緊固件可靠性設計。加筋壁板根部對接區域是大載荷、大壁厚、混雜多層、大直徑緊固件連接的對接區域。緊固件間隙配合會降低金屬結構疲勞壽命、增加釘載不均勻系數等系列問題;干涉配合連接可能帶來復合材料層壓結構分層的技術風險,所以此處的連接設計需要進行工藝驗證試驗考核。

國內僅在預研課題中對復合材料機翼根部對接結構形式進行了研究,考慮國內復合材料制件工藝水平、裝配精度和產品安全等因素,該文采用了“丄”字型對接、周向膨脹緊固件連接結構,且最終通過2.5 g過載靜力試驗考核。

4 結論

大尺寸復合材料加筋壁板根部對接分離面設計是機體復合材料主結構設計的一個技術難點,文中對先進客機A350飛機和B787飛機機翼復合材料加筋壁板根部對接細節設計進行了詳細的闡述,且結合現有工程研制經驗進行了補充說明,其研究成果可為大尺寸復合材料加筋壁板根部對接設計提供借鑒和參考。