彭国辉
【摘 要】复合材料在主承力结构的应用已成为民机研制的趋势，本文对中央翼上壁板提出了复合材料结构设计方案，并通过选型试验、软件分析途径进行优化设计。同时在相同设计要求下进行了金属方案设计，得到了设计重量对比数据，为型号应用提供理论基础。
【关键词】复合材料；中央翼上壁板；优化
【Abstract】Application of composite materials in the main load-carrying structure has become the trend of commercial development， put forward in this paper， the central wing wall of composite material structure design， and through the selection test， the optimal design analysis software. At the same time， the design of metal scheme was carried out under the same design requirements， and the design weight comparison data was obtained， which provided the theoretical basis for the model application.
【Key words】Composite materials； Centre wing box upper pannel； Optimize
1 背景介绍
复合材料在民用飞机上的应用范围已经从次承力结构逐渐扩展至主承力结构，国内民机型号中已经在后机身及尾翼等主结构上使用T800级碳纤维复合材料。在中央翼及外翼应用复合材料也成为型号后续发展方向之一。本文结合复合材料壁板选型试验等基础数据，对中央翼复合材料上壁板进行设计优化，并使用Hypersize及Hyper Works分别对复合材料与金属材料方案进行对比。
2 受力分析
民用飞机中央翼一般位于中机身内部，连接左右外翼，处于机身机翼交汇区域。中央翼为典型翼盒闭室结构，主要承受来自外翼的弯矩、扭矩和剪力，并把这些载荷传到机身。中央翼壁板主要承受外翼传来的载荷，外翼传来的弯矩引起了壁板的轴向载荷，上壁板主要受压，下壁板主要受拉；外翼传来的剪力和扭矩产生了壁板剪流，上壁板的剪流通过侧肋与机身平衡，下壁板的剪流通过龙骨梁传给机身。中央翼上壁板除了承受外翼传来的载荷，还承受机身客舱客载和气密压力的作用，壁板上的蒙皮通过紧固件直接把气密压力传给长桁和地板纵梁。长桁承受的气密压力以多支点梁的形式传给地板纵梁，由地板纵梁将气密载荷传给展前梁和后梁，然后传给机身。上壁板承受了气密压力和轴向压缩载荷的联合作用，地板纵梁支持中央翼上壁板，使上壁板成为多支点连续梁柱，提高了上壁板的结构稳定性。
3 结构方案
复合材料中央翼上壁板由蒙皮及多根长桁组成（见图1）。上壁板采用T800级碳纤维复合材料，长桁采用手工铺贴成型，固化成型后和采用自动铺带工艺湿蒙皮共胶接固化成型。
图1 典型复合材料壁板结构
蒙皮沿航向分为五个厚度区域，共形成四个丢层区；沿展向在一号肋缘条装配区蒙皮厚度增加，以降低连接区钉孔挤压应力。蒙皮两侧增强区位于理论外形外侧，保证蒙皮内侧沿展向光滑，以简化长桁成型工艺，并保证蒙皮与长桁的共胶接成型质量。
长桁分为普通工型截面长桁和T型截面长桁。工型截面长桁仅在地板纵梁处采用双排紧固件连接蒙皮及地板纵梁缘条，其余部位与蒙皮共胶接且无紧固件连接；与中央翼内部展向梁连接的长桁为T型截面，长桁腹板与展向梁腹板采用双排紧固件连接，下缘条与蒙皮采用双排紧固件连接。
4 选型试验
试验件选用与结构件相同的T800碳纤维复合材料。考虑上壁板受压的主受力情况，选取长桁与蒙皮的0度、45度、90度铺层比例为5：4：1。在该铺层比例前提下，改变蒙皮和长桁的面积比例，进行破坏试验，寻找蒙皮与长桁的最佳刚度匹配。
试验结果表明：
a）在相同的试验条件下，长桁/蒙皮面积比为5：5的构型承载能力最大，平均值为1260kN。其余两个破坏载荷平均值分别为1025kN和1034kN。
b）长桁/蒙皮面积比为6：4与5：5试验件破坏后蒙皮与长桁梁脱胶。而长桁/蒙皮面积比4：6构型三个试验件均在地板梁外侧破坏，蒙皮与长桁未脱胶。说明蒙皮刚度越大，越不容易发生与胶接结构的脱胶。
5 参数优化
根据选型试验结果制定长桁/蒙皮面积比的初始数值，对上壁板蒙皮厚度及长桁参数采用Hypersizer软件进行了优化设计。根据上壁板结构布置特征重新划分有限元模型的单元分组。优化过程中控制复合材料单层模量及整体应变。
（1）单元划分
蒙皮单元分区如图2所示，每根长桁之间的蒙皮作为一个优化单元，与周边结构装配区作为单独的优化单元。长桁单元划分：一号肋缘条处作为一组单元，剖面参数按照长桁端头设计（上下缘条加宽）；其余单元按照地板纵梁的站位划分为不同的单元，详见图3。
（2）初值及约束
在优化过程中设定以下初始值及约束关系：
a）蒙皮厚度：4mm b）铺层比例：0°层50%～60%，45°层30%～60%，90°层10%～20%。 c）应变约束：拉压应变<3200u，剪切应变<5000u。 d）稳定性约束：壁板柱失稳，蒙皮剪切失稳，壁板压剪耦合。
e）尺寸约束： 壁板结构对称。
（3）边界约束
对于蒙皮板单元，实际结构四边支持由两侧长桁、两侧地板纵梁（端部蒙皮单元为地板纵梁及一号肋缘条支持）。所有蒙皮单元支持条件简化定义为四边简支，单元长度按照实际纵梁、长桁间距设定。长桁边界支持为侧边自由，两端简支。长桁单元跨距为两根地板纵梁间距。
（4）优化结果
根据上述定义及约束，由软件进行多轮迭代优化。根据理论优化数值，同时考虑不允许三层以上连续丢层等复合材料设计准则，对蒙皮及长桁铺层进行细微调整，减少铺层的频繁变化，以降低磨具制造成本及加工难度，保证复材件的成品率。根据优化结果建立复合材料上壁板模型，得到零件重量数据。其中蒙皮101.28Kg，长桁共计80.61Kg，合计181.86Kg。
6 金属方案对比
作为与复合材料方案的对比，针对上壁板金属材料方案进行了详细论证，并使用Hyper works软件对截面参数进行了优化计算。单元划分与复合材料划分相同，材料选用7055系列铝合金。变量及约束如下：
a）设计变量：蒙皮厚度，长桁加筋面积（缘条厚度）。
b）应力约束：上壁板展向<375MPa；
c）稳定性约束：壁板柱失稳，蒙皮剪切失稳，壁板压剪耦合；
d）尺寸约束：
i.蒙皮厚度：3.5mm ii.长桁下缘条厚度：2.5mm e）设计目标：质量最轻。 优化后的金属壁板厚度分布如图4所示。根据优化结果建立金属上壁板模型，得到零件重量数据。其中蒙皮121.50Kg，长桁共计105.45Kg，合计226.95Kg（不包含紧固件重量）。与复合材料上壁板重量（181.86Kg的）相比，减重量达到19.87%。 7 结论 中央翼复合材料上壁板设计满足中央翼结构功能要求，经过选型试验、Hypersizer软件优化并按照设计准则调整铺层，实现了结构的最优化设计，具备良好的工艺性。通过与金属方案优化的对比，中央翼上壁板采用复合材料方案具备较大的重量优势。 【参考文献】 [1]展全伟.复合材料加筋壁板稳定性影响分析[J].《中国民用航空》，2012（03）：47-49. [责任编辑：朱丽娜]
