复合材料襟翼壁板典型结构压缩承载能力研究

陈建华　李庆飞

【摘 要】飞机襟翼壁板结构主要有两种形式，加筋板结构和蜂窝夹芯结构。本文对两种结构形式的襟翼壁板在压缩载荷下的受载情况进行研究。对比分析了几种筋条加筋结构和蜂窝夹芯襟翼壁板结构的传力、承载能力。得到结论：对于相同横截面积的I型长桁和T型长桁结构，I型长桁结构襟翼壁板的压缩承载能力最好，T型长桁结构襟翼壁板其次。在相同壁板铺层条件下，加筋壁板的压损承载能力远高于蜂窝夹芯结构襟翼壁板压缩承载能力。

【关键词】加筋板；蜂窝夹芯；压缩稳定性

襟翼是飞机中的重要结构，主要包括襟翼翼面、襟翼运动机构和襟翼整流罩。襟翼可通过运动机构实现起飞、巡航、复飞和着陆四个状态，以满足飞机不同工况下的升力需求，从而提高飞机的起飞、着陆性能。襟翼翼面是飞机上重要的升力部件。气流流过翼面的特定外形产生压力差进而产生升力。为承受升力，襟翼翼面必须有足够的刚度和稳定性。现代飞机襟翼翼面常采用复合材料，主要是因为复合材料相对于传统铝合金有较高比模量、比强度，合理的设计可以显著减轻复合材料结构重量，提高飞机的经济型[1]。

对于复合材料襟翼壁板结构，一般采用整体壁板形式，有一定厚度并承受翼面的主要载荷。翼面的主要载荷是气动载荷、自身的惯性载荷、操纵机构的操纵力和支座的支反力。根据襟翼翼面受载特点，襟翼壁板主要破坏模式是总体失稳和局部失稳。目前飞机襟翼壁板结构主要有两种形式：一种是加筋板结构，另一种是蜂窝夹芯结构。而加筋板结构则因横截面形状不同，分为“T”型加筋和“I”型加筋等结构。本文对这两种壁板结构形式在压缩载荷下的力学性能进行研究，为襟翼壁板结构选型设计提供参考。

1 襟翼壁板压缩试验

襟翼壁板结构的压缩试验主要考察襟翼壁板结构在压缩载荷作用下的稳定性和后屈曲承载能力。

1.1 试验件

考虑到试验载荷的施加方式和试验件的考察段，确定试验件尺寸如下：长500mm，宽350mm，两头夹持部分为50mm。试验件截面具体示意图如下（图1-图3）：

以上三类试验件，T型与I型加筋板的截面积相同，加筋板和蜂窝壁板的铺层相同，蜂窝夹芯壁板有三种蜂窝密度，以研究蜂窝壁板压缩承载能力与蜂窝密度之间的关系。

1.2 试验原理

襟翼壁板压缩试验是典型的结构压缩稳定性试验。该试验主要是在压力机上进行，试验件两侧边不施加约束，通过端头施加压力达到压缩试验目的。在试验过程中，需要先施加一个小载荷，记录下试验件前后对称位置的应变片的应变数据，通过不断调整试验件的位置，使得前后对称的应变片的应变大致相等，从而保证试验件承受的是纯压缩载荷，而没有附加弯矩。下图4是试验方案的示意图。

2 试验结果及分析

在压缩试验的过程中，需对载荷、应变片的应变数据及位移进行测定。下表1中给出不同结构形式襟翼壁板破坏载荷值及加载端位移情况，破坏载荷是指试验件在加载过程中发生断裂导致承载能力大幅下降时的载荷，表中的等效破坏载荷为破坏载荷除以试验件截面面积。

对于蜂窝夹芯壁板，主要的破坏形式是壁板中部弯曲折断或壁板下端靠中部弯曲折断；T型长桁壁板，主要破坏形式是中部弯曲折断，蒙皮长桁分离；I型长桁壁板，主要破坏形式是壁板中部弯曲折断。在加载过程中，可以观察到，当加载载荷到达一定值时，I型和T型长桁壁板突然破坏，失去承载能力；而对于蜂窝夹芯壁板发生屈曲后，载荷会下降一半左右，并不会失去承载能力，可继续加载直至结构最后完全破坏，失去承载能力。通过对试验件上粘贴的应变片数据进行分析，发现当加载至一定载荷时，贴于壁板中部前后面的应变片的载荷-应变曲线会分叉，说明壁板发生屈曲，但此时壁板能够继续承载，直到发生弯曲折断。

3 结论

通过以上的分析，可知对于截面面积相同的I型长桁和T型长桁，I型长桁结构襟翼壁板的压缩承载能力比T型长桁结构襟翼壁板的压缩承载能力高。在相同的壁板铺层条件下，加筋壁板的压缩承载能力要高于蜂窝夹芯襟翼壁板的压缩承载能力。随着蜂窝密度的增加，蜂窝壁板承受压缩载荷的能力增大。在壁板承受压缩载荷过程中，壁板会先发生屈曲，但能继续承载，直到壁板整体弯曲折断，失去承载能力。

以上研究只是分析了不同结构形式襟翼壁板压缩承载能力，为飞机襟翼设计提供参考。在实际的飞机设计中，飞机复合材料的翼面设计除满足结构的功能性外，还需考虑其他因素，如工艺、重量、维修、可靠性和经济性等等。例如，蜂窝壁板相对于加筋壁板重量要轻，同时蜂窝夹层结构相对于加筋壁板来说有吸音降噪功能，对50～200HZ的低频振动噪音有隔绝作用[2，3]，在民机设计中需要考虑这一点。

【参考文献】

[1]飞机设计手册[S].航空工业出版社，2000.

[2]C.F.Ng，C.K.Hui.Low frequency sound insulation using stiffness control with honeycomb panels[Z].Applied Acoustics 69（2008）293-301

[3]赵宏杰，嵇培军，胡本慧，等.蜂窝夹层复合材料的吸波性能[J].宇航材料工艺，2010（2），72-76.

[责任编辑：王伟平]