轻质点阵夹芯板在民用飞机上的应用分析

陈继伟

【摘 要】点阵夹芯板是由上、下两层薄面板以及芯层周期分布的杆单元组成的轻质多孔结构，具有很高的比刚度和比强度、优异的抗冲击力学性能，此外还具有多功能集成特性，比如隔热隔声、通风等，在民用飞机上具有很好的应用前景。

【关键词】点阵夹芯板；民用飞机

中图分类号： O348 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）23-0064-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.025

【Abstract】Lattice core sandwich plates are lightweight porous structures comprising a truss core and two thin flat sheets， with high stiffness to weight and strength to weight ratios and great ability of impulse-resistance. In addition the sandwich plates provide multi-functional properties such as reduction of heat and noise， vent with air， and promise great application on civil aircraft.

【Key words】Lattice Core Sandwich Plates；Civil Aircraft

0 引言

轻质、高强度、高韧性的材料结构一直是民用飞机设计研究的关键技术问题。重量作为民用飞机设计的重要指标，直接关系到飞机运营时的燃油经济性和航空公司的效益。国内外新型客机大范围使用碳纤维增强复合材料、铝锂合金等新材料也是出于减轻结构重量、提升产品市场竞争力的目的。此外，民用飞机不仅对材料结构的强度和承载能力要求较高，对于材料结构的多功能性也有新的要求，比如地板材料减振、隔热，舱门和货舱挡板抗冲击破坏、隔离噪音，燃油箱结构的通风、排漏等。

自然界有许多天然多孔材料，比如木材、骨头以及珊瑚等，孔隙率高，承载能力强并且具有生物多功能集成的特性。受此启发，科研人员开发出多种超轻多孔材料，比如金属泡沫、蜂窝夹芯板、点阵夹芯板等，也都具有高孔隙率的特点，并且拥有高比强度、高比刚度、高强韧、抗冲击等优良力学性能以及多功能集成的特性[1]。

点阵材料是由杆件在空间周期重复排列而形成的桁架结构，研究者提出并制造了众多构型各异的三维点阵材料，常见的单胞构型有金字塔型、四面体型、Kagome型等等。将三维点阵材料作为芯层来连接上下两层薄面板，构成了点阵夹芯板，如图1所示。

相关研究表明，在相同重量的情况下，点阵材料的面内杨氏模量可以比蜂窝材料高出两个数量级以上，其面外强度可高出蜂窝材料一个数量级以上。在保持高孔隙率的同时，点阵材料的微结构具有良好的可设计性，可满足工程结构对材料力学性能的不同要求。国内一些高校甚至制造出了力学性能更强的复合材料点阵夹芯结构[3]。

1 点阵夹芯板的力学性能

点阵夹芯板是由空间周期分布的桁架以及薄面板组装而成的复杂結构。当点阵夹芯板具有大量单胞时，会产生大量节点自由度，这会大大增加有限元法分析的时间和成本。不过，当点阵夹芯单胞在空间大量周期重复时，我们可以将其等效为连续、均匀的二维板。根据单胞构型，利用材料力学和结构力学理论，我们就可以得到等效力学性能。

点阵夹芯板的等效弯曲刚度：

其中：f为上下层薄面板厚度；H为面板厚度；E1和υ分别为面板材料的杨氏模量和泊松比。上式中假设上下层薄面板厚度相同并且为各向同性材料。

点阵夹芯板的等效剪切刚度：

其中：E2为桁架材料的杨氏模量，A为杆截面的面积，h为芯层厚度，θ为杆元与面板的夹角。

2 在民用飞机上的应用研究

2.1 客舱/货舱地板

客舱地板结构主要承受飞机乘客的载荷，将商载通过横梁和立柱传递给机身。目前客舱地板面板通常采用复合材料蜂窝夹芯板，根据重量和安装维护方便的原则进行大小分块，在地板骨架上进行组装。货舱地板结构不参与机身总体受力，只承受货舱内的载荷。目前货舱地板面板通常采用满足阻燃要求的复合材料蜂窝夹芯板。

在飞机客舱/货舱设计要求中，规定了客舱/货舱地板的许用线载荷及局部破坏载荷，以此为根据对地板结构进行合理的设计，在满足承载能力的要求下尽量减轻地板结构重量。Deshpande[4]和Wallach[5]等的研究论文和试验表明，点阵夹芯结构具有很高的弯曲刚度、剪切刚度和面外强度，甚至强于常规的蜂窝夹芯结构。另外由于芯层单胞的可设计性，点阵夹芯板的刚度和固有频率可以通过调节单胞几何参数从而进行高效的设计，达到为地板减振的目的。

2.2 货舱挡板

民用飞机地板以下区域通常为货舱，但是由于电子电气设备的布置、辅助燃油箱的布置等因素，货舱需要隔离出单独的区域放置电子电气设备或者燃油箱。为了阻拦货物对设备或者燃油箱的冲击破坏，需要安装货舱挡板，见图2。

假设货舱长度为L，地板许用线载荷为k，货舱挡板面积为A。考虑比较危险的飞机应急着陆工况，载荷为向前9G，则货舱挡板上的压力为：P=L×k×9G/A。点阵夹芯板在有限元建模时可简化为具有分层属性的二维板单元，分别输入面板和芯层的材料参数，施加约束边界条件和载荷条件P，然后进行应力和位移的计算。

2.3 燃油箱

民用飞机的基本燃油箱一般是由机翼、中央翼内部的空间构成。为了满足客户对于大航程的需求，往往就需要在机身内部增加辅助燃油箱。在飞机的货舱内增加辅助燃油箱是飞机制造商常见的选择。传统的辅助燃油箱是由单层蒙皮组成的金属结构，重量大并且容易产生泄漏。目前国外比较先进的燃油箱是蜂窝夹芯板组成的结构，内层蒙皮隔离燃油，外层蒙皮阻挡油气泄露，芯层用来通风排漏，这种结构形式极大的降低了燃油泄漏的安全隐患。点阵夹芯板由于相似的结构形式，也能实现此功能，并且由于力学性能更优，在燃油箱设计制造上有很大的应用潜力。

3 结论

民用飞机对轻质、高强、多功能集成的材料结构要求越来越高。优异的力学性能和点阵结构的可设计性使得点阵夹芯板能满足民用飞机对于材料结构的严格要求。目前关于点阵夹芯板的理论分析方法已比较完善，但是制造装配工艺尚不成熟、相关材料试验和适航验证工作尚需开展。不过可以预见，点阵夹芯板在民用飞机上有着良好的应用前景。

【参考文献】

[1]卢天健、何德坪、陈常青、赵长颖、方岱宁、王晓林，超轻多孔金属材料的多功能特性及应用。力学进展，2006年第36卷第4期：517-535。

[2]Yungwirth， C. J.， Wadley， H. N. G.， O'Connor， J. H.， Zakraysek， A. J.， Deshpande， V. S.， Impact response of sandwich plates with a pyramidal lattice core. International Journal of Impact Engineering， 2008， 35（8）： 920-936.

[3]方岱宁、张一惠、崔晓东，轻质点阵材料力学与多功能设计。2009，北京：科学出版社。

[4]Deshpande， V. S.， Fleck， N. A.， Collapse of truss core sandwich beams in 3-point bending. International Journal of Solids and Structures， 2001， 38（36-37）： 6275-6305.

[5]Wallach， J. C.， Gibson， L. J.， Mechanical behavior of a three-dimensional truss material. International Journal of Solids and Structures， 2001， 38（40-41）： 7181-7196.