低温循环CFRP飞机翼尖小翼性能研究

马群龙 王岚懿 朱宇虹 要淞洋 *

（1、沈阳航空航天大学航空宇航学院，辽宁 沈阳 110136 2、中国南方航空股份有限公司沈阳维修基地，辽宁 沈阳 110169）

1 概述

飞机飞行过程中，翼尖处会产生影响其升阻性能的翼尖涡[1]，通常采用翼尖小翼解决这一问题[2]。CFRP复合材料具有强度高、质量轻等优势[3]，是翼尖小翼材料的较好选择，但随着飞机服役时间的增长，翼尖小翼可能会面临因疲劳而产生的根部悬臂弯曲断裂问题，其主要影响因素为纤维铺层角度不同引起的材料自身强度变化[4]以及飞机频繁高空起降过程中常温、低温循环作用的影响[5]。针对以上问题，本文结合理论模型推导以及力学试验探究了低温循环条件对单向和正交铺层CFRP飞机翼尖小翼抗悬臂弯曲性能的影响，为复合材料小翼增强技术研究提供基础。

2 常温、低温循环飞机翼尖小翼悬臂弯曲临界失效应力模型分析

2.1 CFRP飞机翼尖小翼简化模型设计

综合分析翼尖小翼形状、尺寸及铺层角度的实际情况，基于相似原理，制备出等比例缩小CFRP飞机翼尖小翼简化模型(简称小翼)如图1所示，其中小翼铺层角度为[0]10s和[0/90]10两种。

图1 CFRP翼尖小翼形状与尺寸示意图

2.2 常温CFRP飞机翼尖小翼悬臂弯曲临界失效应力分析

仿照小翼实际受力情况，以小翼根部的固定约束模仿其与翼尖之间的固联效果，以其自由端受到的集中力F模仿小翼受到的载荷形式，建立小翼悬臂弯曲力学模型如图2所示。压力F将使小翼悬臂端以CD为轴发生弯曲，使小翼夹持部分周围纤维受到沿x轴和y轴的面内拉力σx*和σy*作用，当力F到达一定大小时，小翼固定端纤维发生断裂破坏[6]。

图2 小翼受力原理图

设小翼0°层和90°层纤维层沿x轴方向的拉伸强度为σx(0)、σx(90)，则根据静力学原理、经典层合板理论可推导出常温下单向铺层和正交铺层小翼的悬臂弯曲临界失效应力σF1、σF2如式（1）、（2）所示。

其中，Q11和a21*分别表示纤维正轴模量和偏轴模量逆矩阵，t表示单层纤维厚度。

2.3 低温CFRP飞机翼尖小翼悬臂弯曲临界失效应力分析

低温循环的变温度作用会使碳纤维内部产生残余应变[7]，从而引发纤维内部的残余应力，设小翼材料沿x轴、y轴的热膨胀系数与湿膨胀系数分别α1、α2、β1、β2，吸湿质量比为c，低温循环温度差为△T，则通过残余应变理论和变形协调理论可得到n次低温循环后单向和正交铺层小翼的悬臂弯曲临界失效应力σF3、σF4如式（3）、（4）所示。

2.4 CFRP飞机翼尖小翼悬臂弯曲临界失效应力数值分析

通过GB/T3354-2014标准获取经低温循环处理后小翼所用材料的极限拉应力：常温下沿0°、90°极限拉应力为1415MPa和157MPa，低温循环后沿0°、90°极限拉应力为1277.11 MPa和149.35 MPa。小翼纤维其他材料属性如表1所示。

表1 碳纤维材料属性参数表

将以上材料属性代入式（1）～（4）中，求解并绘制小翼悬臂弯曲临界失效应力理论值对比图如图3所示。

图3 CFRP飞机翼尖小翼悬臂弯曲极限应力对比图

对图3分析可以得出：(1)低温循环确实具有降低小翼抗悬臂弯曲性能的作用，对其增强技术的探究尤为重要。(2)单向铺层小翼具有更好的抗悬臂弯曲性能。

3 CFRP飞机翼尖小翼悬臂弯曲力学试验验证

3.1 CFRP飞机翼尖小翼悬臂弯曲试验设计

将型号为USN 15000的T300碳纤维/环氧树脂基预浸料单层裁剪为与文中小翼对应的形状，采用手糊铺层操作，[0]10s和[0/90]10铺层方式[8]，通过热压罐成形工艺制备得到CFRP飞机小翼[9]。将进行低温循环预处理，处理方法为将小翼在-50摄氏度低温下放置3h后拿到常温中放置1h，重复20次[10]。并设置CFRP飞机翼尖小翼试验设备示意图如图4所示，万能试验机将把试验中加载点的应力情况传到PC端。

图4 试验设备示意图

3.2 CFRP飞机翼尖小翼悬臂弯曲临界失效应力综合分析

将悬臂弯曲临界失效应力理论值和试验值绘制如图5所示的对比图。

通过对图5分析可知：(1)两类数据偏差很小，可以证明理论和试验所获结果的一致性；(2)两类数据综合反应了低温循环的削弱效果，并显示了小翼增强技术研究需求的必要性。

图5 CFRP飞机翼尖小翼悬臂弯曲极限应力对比图

4 结论与展望

4.1 建立了单向和正交铺层CFRP飞机翼尖小翼悬臂弯曲力学模型，并通过经典层合板理论、静力学假设分析出低温循环对小翼抗悬臂弯曲性能有削弱影响，且无论在常温还是低温循环条件下，单向铺层小翼的弯曲性能均优于正交铺层。

4.2 结合悬臂弯曲力学试验验证了低温循环对CFRP飞机翼尖小翼弯曲性能的削弱作用。

4.3 未来可采用层间预埋碳纳米管、碳纳米纸[11,12]等高机械强度纳米级材料的方法来提升飞机翼尖小翼的弯曲性能。