雙發(fā)通用飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗證

　　摘要:介紹了某種雙發(fā)通用飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方案與工藝實施路徑，同時對飛機載荷計算、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)仿真分析與地面試驗驗證方法流程進行了論述，研究結(jié)論表明采用真空袋壓法常溫固化成型工藝的碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料可應(yīng)用于小型通用飛機主承力結(jié)構(gòu)設(shè)計，該設(shè)計思路可用于CCAR23部小型通用飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與符合性驗證的參照。

　　關(guān)鍵詞:復(fù)合材料,結(jié)構(gòu)設(shè)計,仿真分析,試驗驗證

　　0引言

　　隨著復(fù)合材料及制造工藝技術(shù)的快速進步，先進復(fù)合材料(ACM)在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用比例也逐年提高。從20世紀70年代開始，復(fù)合材料在軍用飛機上的應(yīng)用比例從2%(麥道F15戰(zhàn)斗機)提高到40%(格魯曼B2隱身轟炸機)，復(fù)合材料在商用飛機上的應(yīng)用比例從5%(空客A310)提高到52%(空客A350)[1-2]。

　　在通用航空領(lǐng)域，大部分正常類、實用類、特技類固定翼飛機均為九座或以下[3]，相對于軍用、商用飛機而言，通用飛機最大飛行速度、起飛重量與翼載均較小，因此降低了飛機復(fù)合材料在通用飛機上的應(yīng)用難度。復(fù)合材料在通用飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用比例也逐步提高，有些飛機幾乎為全復(fù)合材料機體結(jié)構(gòu)[4-5]。

　　如美國里爾飛機公司在1977年就啟動了九座全復(fù)合材料渦槳飛機研制[6]，2002年美國亞當(dāng)飛機公司實現(xiàn)A500雙發(fā)六座全復(fù)合材料飛機首飛，2005年我國山東濱奧轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的單發(fā)四座飛機鉆石DA40復(fù)合材料使用率達到97%[7]。截止2018年底，國內(nèi)研制的通用飛機也廣泛采用復(fù)合材料機體結(jié)構(gòu)設(shè)計，如遼寧通航研究院雙座電動飛機銳翔RX1E、珠海中航通飛領(lǐng)航150、湖南山河科技SA60L等。

　　其中，國產(chǎn)機型蒙皮均采用泡沫或蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，夾芯結(jié)構(gòu)上下面板采用碳纖維或玻璃纖維織物，部分區(qū)域采用單向帶進行加強，機翼肋與機身框采用層壓板結(jié)構(gòu)。如RX1E飛機機翼蒙皮大面積采用碳纖維或玻璃纖維織物與PVC泡沫夾層結(jié)構(gòu)[8-9]，領(lǐng)航150飛機機身蒙皮采用碳纖維織物與NOMAX蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)[10]。

　　以上所述為國產(chǎn)單發(fā)飛機復(fù)合材料機體結(jié)構(gòu)研制情況，目前國內(nèi)尚無雙發(fā)全復(fù)合材料通用飛機研制取證(TC證)先例。本文針對雙發(fā)通用飛機的設(shè)計特點，介紹某種全復(fù)合材料雙發(fā)通用飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗證思路，可作為我國新一代雙發(fā)通用飛機設(shè)計與適航取證的借鑒。

　　1結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　雙發(fā)通用飛機自問世以來，就因其較高的安全可靠性，而受到飛行學(xué)院和私人飛行愛好者的歡迎。如早期(1954年)機型塞斯納Cessna310，中期(1978年)機型派鉑PA-44，以及近期(2016年)機型泰克南P2012T等，但這些機型的機體結(jié)構(gòu)均采用全金屬鋁合金材料。為了防止薄蒙皮屈曲，機身外殼廣泛采用加筋壁板設(shè)計，沿機身縱向布置框與長桁;蒙皮大多采用分塊拼接，厚度在1.0～3.0mm之間。

　　采用綠色底漆與亮黃色底漆進行區(qū)分。金屬飛機機翼結(jié)構(gòu)設(shè)計時一般沿展向布置單梁(或雙梁)與數(shù)量眾多的翼肋，且飛機翼梁結(jié)構(gòu)為了保持較好的損傷容限特性，某些機型會采用破損安全理念進行設(shè)計，將緣條與腹板分開進行組合。采用傳統(tǒng)鋁合金材料進行小型通用飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)點在于技術(shù)成熟、質(zhì)量可靠。

　　但相對于樹脂基碳纖維復(fù)合材料而言，鋁合金結(jié)構(gòu)耐久性相對較差，比強度與比剛度也不如碳纖維復(fù)合材料[11];且鋁合金材料難以實現(xiàn)整體成型，各零件之間需采用大量緊固件進行連接裝配，增加了零部件現(xiàn)場管理難度，特別對于外形復(fù)雜的壁板結(jié)構(gòu)需分塊進行拼接。考慮到碳纖維復(fù)合材料的諸多優(yōu)點，目前新研制的小型通用飛機均優(yōu)先選用樹脂基碳纖維復(fù)合材料進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

　　其結(jié)構(gòu)布局為下單翼、T平尾，發(fā)動機位于中央翼兩側(cè)。某型全復(fù)合材料雙發(fā)飛機機體結(jié)構(gòu)由左(右)外翼、中央翼、機身、水平尾翼等五大部件組成，其中機翼與尾翼均為雙梁式結(jié)構(gòu)，僅采用少量翼肋對蒙皮進行支撐加強，機翼和水平尾翼蒙皮采用泡沫夾芯結(jié)構(gòu)[12]，提高壁板穩(wěn)定性，防止局部屈曲，且具有較好的抗沖擊性能[13-14]。該飛機兩臺發(fā)動機安裝于中央翼兩側(cè)防火墻前端，發(fā)動機短艙與中央翼進行一體化設(shè)計，機身與垂尾為融合式一體化設(shè)計。

　　2材料工藝

　　由于夾層結(jié)構(gòu)具有較大的彎曲剛度/重量比及彎曲強度/重量比[15]，而且小型通用飛機最大起飛重量較小，翼載較低，使得用于大型商用飛機次承力結(jié)構(gòu)(如操縱面)[16]的泡沫/蜂窩夾層結(jié)構(gòu)被廣泛用于小型通用飛機主要承力結(jié)構(gòu)(如蒙皮、梁/框腹板)設(shè)計。由于泡沫比蜂窩結(jié)構(gòu)更易于加工，吸濕率更低，且泡沫夾層薄面板抗沖擊性能較好，價格便宜[17]等特點，故對于小型飛機蒙皮大量采用泡沫夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計。

　　3仿真分析

　　根據(jù)中國民航局CCAR23部23.307條結(jié)構(gòu)符合性的證明要求，必須表明每一臨界受載情況下均符合第23.305條強度和變形的要求。對于雙發(fā)通用飛機，其載荷工況取23.333條規(guī)定的飛行包線邊界角點組合不同重量、重心與不同飛行高度情況進行載荷分析計算。如機翼需計算23.331與23.347條規(guī)定的對稱與非對稱工況，水平尾翼需計算23.421、23.423、23.425與23.427條規(guī)定的平衡、機動、突風(fēng)與非對稱工況，垂直尾翼需計算23.441、23.443條規(guī)定的機動、突風(fēng)工況[2]等。

　　4試驗驗證

　　咨詢通告AC20-107B中提出應(yīng)采用“積木式”方法[20]對復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)進行驗證，通過分析和一系列使用各種復(fù)雜程度試驗件進行的試驗，逐級、可靠地確定復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度，且在強度評估中必須反映重復(fù)加載和可能導(dǎo)致材料屬性退化的環(huán)境暴露影響。對于本文論述的雙發(fā)飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度可從試樣、細節(jié)件、部件、全機等四個層級進行驗證。

　　5結(jié)語

　　通過對全復(fù)合材料雙發(fā)通用飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，證明采用真空袋壓法常溫固化成型進行小型飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計制造的可行性。該研究也是對碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料應(yīng)用于小型通用飛機主承力結(jié)構(gòu)設(shè)計的一次有益探索，提升了我國復(fù)合材料在通用航空領(lǐng)域的應(yīng)用水平。

　　參考文獻

　　[1]劉善國.國外飛機先進復(fù)合材料技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2014(19):26-31.

　　[2]ANDERSSONF，HAGQVISTA，SundinE，etal.DesignforManufacturingofCompositeStructuresforCommercialAircraft-TheDevelopmentofaDFMStrategyatSAABAerostructures[J].ProcediaCIRP，2014(17):362-367.

　　[3]中國民用航空局.CCAR-23R3正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航規(guī)定[S]，2005:25，32-33，56-58.

　　復(fù)合材料論文范文：復(fù)合材料彈性體應(yīng)急燈浮標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用前景

　　這篇復(fù)合材料論文發(fā)表了復(fù)合材料彈性體應(yīng)急燈浮標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用前景，目前中國沿海使用的燈浮標(biāo)主要以直徑2.4米的鋼制燈浮標(biāo)為主，這種燈浮標(biāo)投放時，往往需要專業(yè)的航標(biāo)作業(yè)船。論文主要介紹了一種復(fù)合材料彈性體應(yīng)急浮標(biāo)的研發(fā)過程，可用于上述兩種情況的航標(biāo)投放，并分析其應(yīng)用前景。

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