复合材料机身加筋壁板选型研究

吴承思，李庆飞

(上海飞机设计研究院，上海201210)

复合材料机身加筋壁板选型研究

吴承思，李庆飞

(上海飞机设计研究院，上海201210)

针对复合材料机身加筋壁板构型选择问题，通过初步选型、优化分析以及试验验证3种形式的结合研究，对复合材料机身加筋壁板提出了两点设计建议:(1)相同质量下，帽型长桁壁板的承载能力大于T型长桁的承载能力;(2)相同质量下，相同的帽型长桁加筋板，长桁间距200 mm的壁板承载能力大于长桁间距250 mm的壁板。

复合材料机身;加筋结构形式;优化分析;试验验证

1 引言

传统的航空航天结构中，有金属蒙皮及纵横向加强件构成的壁板是最常见的结构件。随着复合材料的发展，它已逐步进入航空航天领域，成为金属材料的替代品，其发展过程经历了从次要结构到主要结构，从玻璃纤维到碳纤维，从军用飞机到民用飞机。层压壁板是应用最普遍的结构件之一［1］。本文主要通过长桁选型、优化设计以及试验验证几个方面，对复合材料机身典型壁板的长桁选型进行了详细的论述。

2 长桁初步选型

复合材料长桁设计应尽量选用对称的筋条，避免在受力时筋条的转角处出现剥离。常见的长桁剖面结构形式主要有T形、J形、I形、帽形等，如图1所示。

按长桁的结构形式可以分为开敞和闭腔两种结构形式。闭腔加筋的工艺形式比开敞加筋结构工艺性要差，而开敞的几种筋条工艺性，按结构形式I、 J、T的顺序工艺性难度降低，闭腔加筋结构的扭转刚度和弯曲稳定性能大大优于开敞加筋结构［2］。对金属加筋板的理论分析和试验研究证实:Y形加筋板，Z形、帽型加筋板具有较高的效率，L形、T形的效率较低。对于复合材料加筋板，经轴压试验证明帽型加筋比L形加筋有效，L帽型加筋又比T形加筋有效［1］。因此我们初步选用帽型长桁。

图1 加筋壁板的筋条剖面形状

3 优化分析

选取4种典型复合材料加筋结构型式进行优化，通过各自的最优结果对比，决定最佳结构型式的选取。四种典型的加筋结构型式分别为:间距200 mm的Ω型加筋结构，间距300 mm的Ω型加筋结构，间距150mm的T型加筋结构，间距150 mm的工型加筋结构。

在给定的载荷工况情况下，蒙皮壁板不同长桁形式及布置优化结果对比图，如图2所示。

可见复合材料机身采用间距200 mm左右的Ω型加筋壁板，或采用间距150 mm左右的T型加筋壁板效率较高。

4 试验验证

试验件分复合材料T型加筋板和帽型加筋板两种，如图3所示。考察区域长度均为600 mm，其中T型加筋壁板包括2种规格;帽型加筋壁板包括3种规格，试验件分别命名为T1、T2和M1、M2、M3，截面尺寸如图4、5所示。M1、M2铺层不同(M1试验件蒙皮复合材料铺层为18层，M2试验件蒙皮复合材料铺层为26层)，M1、M3铺层相同。

图2 蒙皮壁板不同长桁形式及布置优化结果对比

图3 加筋壁板试验件

图4 T1、T2截面尺寸示意图

图5 M1、M3截面尺寸示意图

T1、T2、M1～M3的承载能力最终结果及对比如表1所示:

表1 试验结果

5 结语

试验结果表明:

(1)相同质量下，帽型长桁壁板的承载能力大于T型长桁的承载能力;

(2)相同质量下，相同的帽型长桁加筋板，长桁间距200 mm的壁板承载能力大于长桁间距250 mm的壁板。

［1］沈真.复合材料结构设计手册［M］.北京:航空工业出版社，2001:92-100.

［2］杨乃宾，章怡宁.复合材料飞机设计手册［M］.北京:航空工业出版社，2002:106-108.

Study about Choice of Stiffened Structure Configuration of Laminated Composite Fuselage

WU Chengsi，LI Qingfei
(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

Select configurations reinforced composite fuselage panels for the problem，through the preliminary selection，optimization analysis and experimental verification three forms of binding studies of reinforced composite fuselage panels made two design proposals.1.Under the same weight，carrying capacity hat stringer panels larger than T-stringers carrying capacity;2.Under the same weight，the same hat truss stiffened plate，stringer spacing panels carrying capacity greater than 200 mm long girder spacing 250 mm siding.

composite fuselage;stiffened structure type;optimization;test

2016-06-15)

吴承思(1980-)，女，湖北人，学士，工程师。研究方向:复合材料结构设计。E-mail:luna1980@ 163.com.