基于超塑成形/扩散连接技术的升降舵结构设计及强度分析

欧阳金栋，陈龙，马俊飞，闫景玉，黄海龙，刘慧慧

（中航工业洪都，江西南昌330024）

基于超塑成形/扩散连接技术的升降舵结构设计及强度分析

欧阳金栋，陈龙，马俊飞，闫景玉，黄海龙，刘慧慧

（中航工业洪都，江西南昌330024）

随着航空技术的进步和“矛与盾”进一步的深度对抗，飞行器技术朝着亚声速巡航飞行器及超音速飞行器快速发展，因而要求结构零件必须具备耐高温、高强度、高刚度、质量小等特点。本文依据此特点对应用于某超音速飞行器的升降舵基于超塑成形/扩散连接技术进行选材、结构设计及强度分析。计算结果表明，其安全裕度为1.37，满足强度设计要求。

TC4钛合金；超塑成形/扩散连接；升降舵；结构设计；强度分析

0 引言

亚声速巡航飞行器及超音速飞行器（含高超声速巡航飞行器、战略飞行器）飞行速度大、敏捷度高，弹体结构材料的选型也逐渐趋向于轻量化，如轻质的镁铝合金、先进的复合材料、轻质的蜂窝夹层结构等，轻量化对提高飞行器的作战效能有极大的影响[1-3]。

超塑成形/扩散连接技术是利用某些材料在特定条件下具有极好的变形能力这一特性而发展起来的一种成形工艺[4-5]。这种组合技术具有成形性好、设计自由度大、成形精确、没有回弹、无残余应力、成形零件性能高等优点，在节省材料、简化制造工艺、提高构件的强度和刚度、降低制造成本等方面具有巨大的优越性，是航空航天领域重要的制造技术[6-7]。针对结构形式复杂的夹层零件，发展SPF/DB技术不仅能满足设计上的要求，如质量轻、刚性大，而且也能满足工艺上的要求，简化零件制造过程和构件的装配过程，缩短制造周期、减少手工劳动量和降低成本。

弹翼的功用是产生升力，以支持飞行器在飞行中的重力并提供机动飞行所需的法向力。由于现代亚声速巡航飞行器及超音速飞行器弹翼的相对厚度较小而飞行速度较高，在设计中应特别注意弹翼的强、刚度问题[8]。升降舵是飞行器非常关键的结构零部件，它能够调节飞行器在空中飞行的高度，这个过程主要通过调节升降舵旋转角度来控制其上升或下降。为了同时考虑减重及结构强度、刚度等问题，合理设计升降舵的结构则非常重要。本文基于超塑成形/扩散连接组合工艺技术，针对超音速飞行器的钛合金升降舵结构轻质、高强、耐热等特殊要求，对其进行选材及结构设计，并进行强度校核，可为以后工程化研制奠定基础。

1 结构设计

应用于某超音速飞行器的升降舵外形是由多个平面拼接而成的、封闭整体结构，安装边具有一定高度且分布有安装孔。安装孔分布在一定大小的安装座上，以减缓集中力的作用，保证舵、翼面零件与弹体零件的连接强度、稳定性和可靠性。升降舵外形为梯形，翼根弦长285mm，翼尖弦长164mm，展长287mm，翼根最大厚度为15mm，翼尖厚度为8.6mm。其外形尺寸如图1所示。

图1 升降舵外形尺寸

根据超塑性变形机理，具有细小的晶粒度和高温下微细组织的稳定性是超塑性材料的两个基本特征。α+β型钛合金是常用的三类钛合金中最符合要求的一类，其本身具有细小的晶粒，晶粒尺寸为5～15 μm，并由于其为两相组织，在高温下两相相互制约，使得晶粒难以长大，能够保持为微细组织，利于超塑性成形[9]。

航空航天工业常用的TC4钛合金即属于α+β型钛合金，其具有比强度高、耐腐蚀等许多优良的性能，本文升降舵成形材料拟采用TC4钛合金。试验材料采用厚度为0.8mm和1mm的TC4板材，TC4主要化学成分如表1所示。

由于升降舵面具有表面质量要求高、对称性好、承载能力强的特点，适合采用TC4钛合金四层板，利用SPF/DB组合工艺技术成形类似蜂窝夹层结构，四层分别由两层面板和两层芯板组成，拟定单层芯板厚度为0.8mm，单层面板厚度为1mm，SPF/DB四层夹层结构示意图如图2所示。

采用SPF/DB工艺制造的零件，其外形由模具型腔保证，内部结构形状（成形后加强筋位置）取决于两层芯板连接位置，在不改变模具的情况下可任意修改，优化的内部结构既可以满足强度要求，又能够降低工艺难度，因此，优化内部筋条布置方案也是SPF/DB工艺的一项重要内容。

本文研究的舵体在工作过程中，两表面最大压差为0.27MPa，要求舵体在满足强度要求的情况下，产生的最大刚度位移不大于7mm，升降舵展弦比约为1，根据此项技术要求，综合考虑SPF/DB工艺等实际情况，适合采用矩形网格式加强筋结构，安装座区域为实体结构，舵面与转轴采用榫头+螺接的连接形式装配。结构上缘及升降舵的前缘均存在实体结构，以增强结构的强刚度。图3为升降舵立筋结构优化前后示意。

鉴于超塑成形工艺的特性，立筋结构中需要避免锐角和小腔的出现，前者导致材料成形较困难，容易形成未扩散连接的三角区；后者导致材料延伸率过大，立筋成形质量难以保证。因此，在矩形网格式加强筋结构的基础上，对立筋结构进行优化，靠近安装座区域，立筋呈放射状。

表1 TC4钛合金主要化学成分

图2 SPF/DB四层夹层结构示意

图3 升降舵立筋结构优化

由安装座实体区域（厚度达12mm）到蒙皮区域（厚度仅为2mm）变化较大，为了避免应力过度集中，可通过加强片实现厚度过渡。安装座加强示意如图4所示。

图4 安装座加强（剖视图）

2 强度计算

载荷是飞行器结构强度和刚度设计的主要依据之一，飞行器从出厂到完成战斗任务的整个过程中，始终承受着各种外载荷作用。为了使飞行器结构在整个使用过程中，既能安全可靠地工作又要使结构重量最轻，结构设计时则首先必须正确确定外载荷。

本文对该升降舵进行强度计算，根据升降舵结构特点，除上、下蒙皮、横向加强筋、纵向加强筋采用Shell单元模拟外，其他均采用Solid单元模拟。根据升降舵的气动载荷要求对升降舵施加载荷，升降舵加载点及载荷如图5所示。根据升降舵的受力特点，对升降舵接头节点进行固支约束。

升降舵在飞行过程中最高温度可能达到400℃，材料TC4钛合金在400℃时的高温力学性能已通过静力拉伸试验获得，其力学性能参数如表2所示。

考虑到该升降舵由超塑成形/扩散连接组合工艺技术制造，TC4钛合金材料强度极限在一定程度上会下降10%，在进行强度计算时应加以考虑，升降舵位移和升降舵应力计算结果如图6、图7所示。从位移云图显示最大位移变形为3.21mm，符合要求；而从应力云图可以看出最大应力为224MPa，同样符合要求。

图5 升降舵加载点示意图

表2 材料力学性能参数

图6 升降舵位移云图（最大位移3.21mm）

图7 升降舵应力云图（最大应力224MPa）

升降舵进行了有限元强、刚度计算，计算结果见表3，安全裕度为1.37，根据《飞航飞行器强度和刚度规范总则》（国内某技术标准540.1-1988），重要连接件的安全裕度为0.25，所以升降舵是满足强度设计要求的。

表3 升降舵强度计算结果

3 结论

1)升降舵采用矩形网格式加强筋结构，靠近安装座区域，立筋呈放射状。安装座区域为实体结构，舵面与转轴采用榫头+螺接的连接形式装配。结构上缘及方向舵的前缘均存在实体结构，以增强结构的强刚度。

2)强度模拟计算显示：最大变形为3.21mm，最大应力为224MPa，安全裕度为1.37，符合操纵面结构设计要求。

[1]张聘义,强涛,翁晓东.巡航飞行器现状与发展趋势[J].红外与激光工程,2006,35(增刊)：28-34.

[2]胡涛.巡航飞行器的发展趋势[J].飞航飞行器,2002,(6)：5-8.

[3]刘牧川,邹晖,程凤舟.国外空射型反舰飞行器研制现状及发展趋势[J].飞航飞行器,2014,(2)：13-16.

[4]李志强,郭和平.超塑成形/扩散连接技术在航空航天工业中的应用[J].锻压技术,2005,30(1)：79-81.

[5]吴诗惇.金属超塑性变形理论[M].北京：国防工业出版社,1997：13-18.

[6]Li Z Q,Li X H.The application of SPF/DB combined welding technologies[J].Materials Science Forum,2007,511/512：49-54.

[7]Larry D H.Innovation in the superplastic forming and diffusion bonding process[J].Materials Engineering and Performance,2008,17(2)：178-182.

[8]张波.空面飞行器系统设计[M].北京：航空工业出版社,2013：100-175.

[9]李梁,孙建科,孟祥军.钛合金超塑性研究及应用现状[J].材料开发与应用,2004,19(6)：34-38.

>>>作者简介

欧阳金栋，男，1989年1月出生，2012年毕业于南京航空航天大学，硕士，现从事结构设计、超塑成形/扩散连接工艺工作。

Elevator Structure Design and Strength Analysis Based on SPF/DB Technique

Ouyang Jindong,Chen Long,Ma Junfei,Yan Jingyu,Huang Hailong,Liu Huihui
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

With the progress of aircraft technology and deep contradictious confrontation,the aircraft technology is developing fast towards the subsonic cruising aircraft and ultrasonic aircraft;thus it is required structural parts must be designed with features of high-temperature resistance,high strength and rigidity,and small mass.According to these features,the paper presents material selection,structural design and strength analysis for the elevator of a type ultrasonic aircraft based on SPF/DB technique.The calculation result shows the safety margin is 1.37,meeting the strength design requirements.

TC4 titanium alloy;SPF/DB;elevator;structural design;strength analysis

2016-01-26）