秦 杰,高 伟,陈林霜,张海军

(1.航空工业第一飞机设计研究院 总体气动设计研究所,西安 710089;2.中航西安飞机工业集团股份有限公司 财务管理部,西安 710089)

随着复合材料结构设计经验的积累、制造工艺水平的发展及生产成本的降低等, 复合材料应用已经从整流罩、前后缘、扰流板等机体次承力结构,到机翼级等机体主承力结构[1]。复合材料机翼较金属机翼可以充分发挥复合材料结构轻质、高效的优点,但是也需解决对接分离面处复合材料主结构承受面外附加弯曲载荷的技术难题[2-3]。早期大型客机机翼根部对接一般采用设计分离面以满足装配、运输、更换等要求,但是设计分离面带来了结构重量增加、结构和刚度不连续、应力集中严重、疲劳强度降低等众多不利因素;80年代以后发展的大型客机机翼根部一般采用工艺分离面设计,通过分散对接结构形式以提高机身内部空间利用率、减轻结构重量,但是此种结构形式机翼加筋壁板将承受翼面70%以上弯矩所转化的拉伸、压缩载荷,且加筋壁板从等直段到对接分离面处中心线变化较大,最终导致加筋壁板根部形成较大的附加弯曲载荷[4]。当前先进客机A350飞机和B787飞机机翼根部分离面均采用工艺分离面设计,且加筋壁板均采用复合材料层压加筋结构,国内在此处细节设计尚没有工程应用经验,因此有必要借鉴国外先进客机大尺寸复合材料加筋壁板根部对接细节设计经验,获取满足国内研制需求的对接分离面正确设计思想。

1 加筋壁板根部对接

客机机翼加筋壁板主要承受弯矩转化的轴向拉伸、压缩载荷,因此加筋壁板根部对接主要考虑轴向载荷的传递和刚度突变产生附加弯曲载荷的平衡。

金属机翼上壁板主要承受压缩载荷,对接分离面处一般采用“土”字型结构对接,金属机翼上壁板“土”字型对接结构如图1所示。壁板蒙皮外表面与“土”字型结构下缘条贴合,通过紧固件机械连接形成单剪结构;长桁上缘条与“土”字型结构上缘条贴合,通过紧固件机械连接也形成单剪结构;壁板和“土”字型结构通过两个单剪对接结构形成整体双剪结构,有效传递壁板的轴向压缩载荷。此种结构形式根部刚度大,能一定程度降低附加弯曲的不利因素影响;同时根部支持系数较大,可以有效提高上壁板临界屈曲载荷。但是此种结构形式工艺复杂、协调界面多、装配协调加垫工作量大,处理不当容易产生装配应力,或变形协调时产生较大的附加内应力。

金属机翼下壁板主要承受拉伸载荷,对接分离面处一般采用“丄”字型结构对接。壁板蒙皮内表面与“丄”字型结构缘条贴合、外表面与对接带板贴合,最终通过紧固件机械连接成双剪结构;长桁遇到“丄”字型结构自然截止,通过长桁接头与“丄”字型结构腹板进行连接,长桁缘条斜削过渡,金属机翼下壁板“丄”字型对接结构如图2所示。此种结构形式载荷传递不如“土”字型结构直接,但是工艺简单,所以一般应用于金属机翼下壁板。

图2 金属机翼下壁板“丄”字型对接结构

复合材料机翼根部载荷传递路线与金属机翼类似,但是细节又存在不同,主要体现在分离面处刚度突变产生的面外附加载荷对复合材料层间剥离的影响、复合材料制件的变形控制及装配间隙补偿的影响和复合材料结构与金属对接结构热应力的影响。传统金属翼面“土”字型对接结构和“丄”字型对接结构是否适用复合材料机翼根部对接需详细的工程应用理论分析和试验验证。

1.1 A350飞机机翼加筋壁板对接

A350飞机机翼壁板采用复合材料层压加筋结构,较空客其他系列飞机翼面材料体系(金属翼面壁板)不同,但是壁板根部对接结构继承了空客其他系列飞机典型的“丄”字型对接结构思想[5-7]。A350飞机机翼壁板根部对接示意图如图3所示。

图3 A350飞机机翼壁板根部对接示意图

外翼上壁板与中央翼上壁板之间通过“丄”字型结构、长桁对接结构进行载荷搜集、传递。“丄”字型结构位于上壁板外表面,缘条与上壁板通过四排紧固件机械连接成整体;长桁对接结构位于上壁板内表面,结构形式为三面角盒式结构,一面与上壁板长桁缘条、“丄”字型结构缘条共用三排紧固件机械连接形成双剪结构,一面与“丄”字型结构腹板通过机械连接成整体,一面是为降低上壁板刚度突变设计的加强筋条。

复合材料机翼较金属机翼上壁板根部对接结构形式主要区别在于长桁末端细节处理方式不同。为有效提高长桁对壁板的支持系数和降低刚度突变对层压结构附加弯曲的影响,复合材料机翼上壁板长桁一直延伸至壁板根部,且末端斜削特定角度;为降低长桁制造难度,长桁对接接头更改为与长桁下缘条连接、“丄”字型结构缘条由壁板内表面贴合更改至外表面贴合,最终长桁对接接头和“丄”字型结构对壁板形成双剪结构。

外翼下壁板与中央翼下壁板之间通过“丄”字型结构、对接带板结构进行载荷搜集、传递。对接带板结构位于下壁板外表面,与下壁板通过四排紧固件机械连接成整体。“丄”字型结构位于下壁板内表面,与下壁板长桁缘条、对接带板结构共用三排紧固件机械连接成整体。下壁板长桁腹板插入“丄”字型结构部分缘条,截止于第二排和第三排紧固件之间,且末端斜削特定角度。

复合材料机翼下壁板根部对接设计主要特点:长桁腹板截止于“丄”字型结构缘条第二排和第三排紧固件之间,将长桁腹板的载荷提前过渡到长桁下缘条,确保长桁腹板的载荷提前传递给分离面处对接结构,适当降低根部附加弯曲载荷;长桁腹板斜削角θ对此处的附加弯曲影响较大,受拉伸载荷为主的复合材料加筋壁板长桁腹板斜削角θ取值范围15°≤θ≤25°;外翼下壁板刚心线和中央翼下壁板刚心线交点要落在分离面翼肋平面上,刚度突变产生的附加弯曲尽量通过对接翼肋平衡。

1.2 B787飞机机翼加筋壁板对接

B787飞机机翼壁板与A350飞机机翼壁板主要区别在于设计成“工”字型加筋结构,所以其机翼壁板载荷的传递设计有两条传力路径,即加筋壁板的载荷一部分通过蒙皮传递给对接结构,另一部分通过长桁上缘条传递给对接结构。考虑复合材料制件公差大和层间界面较弱的特点,B787飞机机翼壁板根部对接结构形式继承了波音系列飞机典型的“土”字型对接结构思想,但是其具体对接结构形式与金属翼面 “土”字型对接结构不完全相同[8-12]。B787飞机机翼壁板根部对接示意图如图4所示。

图4 B787飞机机翼壁板根部对接示意图

上壁板为长桁,增加对蒙皮的支持系数、降低刚度突变附加弯曲的影响,将长桁延伸至壁板根部,“土”字型对接结构下缘条只能布置于上壁板外表面;考虑制件的公差、补偿垫片对压缩载荷产生附加弯曲的影响,“土”字型对接结构上缘条改成对接角盒的组合结构,通过对接角盒将上壁板长桁上缘条与“土”字型对接结构连接成整体。

下壁板采用了“土”字型整体对接结构,因复合材料制件公差较大,并未采取金属壁板“土”字型套合结构形式对接,而是将“土”字型对接结构下缘条与下壁板蒙皮内表面贴合、上缘条与长桁上缘条贴合(贴后面设计有补偿垫片),通过机械连接成整体,同时考虑长桁提前截止、壁板蒙皮局部附加弯曲载荷,在壁板外表面设计对接带板,从而壁板蒙皮对接处形成双剪结构。因下壁板长桁提前截止,长桁下缘条末端通过四套紧固件将长桁下缘条和蒙皮连接成整体,长桁末端设计成鱼嘴形结构形式。

2 加筋壁板根部对接验证

复合材料加筋壁板根部设计主要是受轴向载荷的传递和根部附加弯曲载荷对复合材料层间的影响。因根部结构厚度尺寸较大、受压屈曲不是主要考虑因素,拉伸载荷或压缩载荷均因刚度突变会对根部产生附加弯曲载荷,且最终转化成加筋壁板的面外剥离载荷,所以主要考虑基于拉伸载荷工况的加筋壁板根部对接载荷的传递(下壁板长桁提前截止,其附加弯曲载荷较上壁板严酷)。

2.1 “丄”字型对接结构验证

加筋壁板材料选用180 °C固化碳纤维环氧单向带复合材料,对接结构材料选用铝锂合金金属材料。由于长桁轴线布置原因,紧固件沿长桁腹板两侧非对称布置,一侧布置一列四排紧固件,另一侧布置两列四排紧固件。“丄”字型对接结构示意图如图5所示。

图5 “丄”字型对接结构示意图

采用MSC Patran软件建立对接结构有限元模型。壁板蒙皮和长桁采用QUAD4壳单元模拟,紧固件由CWELD单元模拟,模型从对接肋平面一侧截断,截面处施加对称约束,壁板自由端沿长桁轴线施加1 mm位移载荷。“丄”字型对接结构应力云图如图6所示。

图6 “丄”字型对接结构应力云图

对加筋壁板对接结构进行试验验证,“丄”字型对接结构失效模式如图7所示。

图7 “丄”字型对接结构失效模式

A350飞机机翼加筋壁板对接方式为典型的双剪连接,可以有效降低偏心弯矩载荷,但长桁末端刚度突变产生的面外附加剥离载荷仍然是加筋壁板主要失效载荷,且由于复合材料各向异性,钉载分配严重不均匀。加筋壁板失效是位于长桁末端面外剥离失效和第一排紧固件挤压拉断失效。通过对紧固件载荷进行分析,翼肋对接缘条传递总载荷的60%,对接带板传递总载荷的40%。

2.2 “土”字型对接结构验证

B787飞机机翼加筋壁板材料选用与A350飞机机翼类似,均采用180 °C固化碳纤维环氧单向带复合材料,但是对接结构材料选用了与复合材料热膨胀系数差异不大的钛合金金属材料。由于对接结构采用双传力路线,且工艺限制,所以加筋壁板蒙皮、长桁上缘条均通过两排两列紧固件与对接结构连接。“土”字型对接结构示意图如图8所示。

图8 “土”字型对接结构示意图

按2.1节所述结构模型简化方法构建有限元计算模型,“土”字型对接结构应力云图如图9所示。

图9 “土”字型对接结构应力云图

对加筋壁板对接结构进行试验验证,“土”字型对接结构失效模式如图10所示。

图10 “土”字型对接结构失效模式

加筋壁板失效是位于长桁末端面斜削外剥离失效和第一排紧固件挤压拉断失效。通过对紧固件载荷进行分析,长桁上缘条对接处传递总载荷的35%,壁板蒙皮对接带板传递总载荷的65%。

3 对接方案讨论

复合材料机翼加筋壁板根部对接需考虑以下几点:

(1)长桁轴线布置。大尺寸复合材料加筋壁板根部对接载荷较大,长桁轴线布置需考虑根部对接紧固件列数的排布,尽量将紧固件对称布置于长桁腹板平面两侧。若紧固件不能对称布置于长桁腹板平面两侧,需仔细评估靠近长桁腹板列紧固件与靠近长桁侧边列紧固件载荷的差异,确保靠近长桁腹板列紧固件孔不发生挤压破坏。

(2)对接结构材料选择。不同对接结构形式的对接结构材料选用不同。“丄”字型对接结构工艺简单,装配过程中工艺补偿垫片较少,所以对接结构材料可以采用抗疲劳裂纹扩展性、断裂韧性和耐腐蚀性能更好的铝锂合金;“土”字型对接结构工艺复杂,装配过程中工艺需补偿垫片较多,且可能存在局部厚垫片,所以对接结构材料采用与复合材料加筋壁板相容性较好的钛合金材料。

(3)工艺性。单根长桁加筋壁板对接试验件装配过程中,“土”字型对接结构装配难度较“丄”字型对接结构大,且承载能力试验中先于“丄”字型对接结构破坏。若采用“土”字型对接结构设计需对加筋壁板变形进行严格控制和对工艺补偿垫片仔细考量。

(4)热应力影响。分离面处是对接涉及金属结构与复合材料结构的混杂连接。翼面根部弦向尺寸较大,所以此处热膨胀载荷的影响不容忽视。B787飞机根部对接结构采用了与复合材料热膨胀系数差异不大的钛合金材料,受钛合金成形工艺、装配风险等因素影响,机翼根部单侧对接结构仅布置两排紧固件;A350飞机根部对接结构采用了铝锂合金,铝锂合金成形工艺较钛合金简单,可以充分发挥翼展方向结构布置空间,但是其与复合材料热膨胀系数差异较大,需考虑温度载荷的附加影响。

(5)复合材料加筋壁板承受面外载荷能力较弱,根部细节设计时需注意长桁末端斜削角设计和长桁腹板载荷传递设计,进而有效的降低刚度突变和变形协调产生的加筋壁板面外剥离载荷。

(6)复合材料加筋壁板根部对接区域混杂结构紧固件可靠性设计。加筋壁板根部对接区域是大载荷、大壁厚、混杂多层、大直径紧固件连接的对接区域。紧固件间隙配合会降低金属结构疲劳寿命、增加钉载不均匀系数等系列问题;干涉配合连接可能带来复合材料层压结构分层的技术风险,所以此处的连接设计需要进行工艺验证试验考核。

国内仅在预研课题中对复合材料机翼根部对接结构形式进行了研究,考虑国内复合材料制件工艺水平、装配精度和产品安全等因素,该文采用了“丄”字型对接、周向膨胀紧固件连接结构,且最终通过2.5 g过载静力试验考核。

4 结论

大尺寸复合材料加筋壁板根部对接分离面设计是机体复合材料主结构设计的一个技术难点,文中对先进客机A350飞机和B787飞机机翼复合材料加筋壁板根部对接细节设计进行了详细的阐述,且结合现有工程研制经验进行了补充说明,其研究成果可为大尺寸复合材料加筋壁板根部对接设计提供借鉴和参考。