復(fù)合材料斜交網(wǎng)格機(jī)身結(jié)構(gòu)

張成

摘 要：該文介紹了斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，包括這種結(jié)構(gòu)的誕生、特點(diǎn)和發(fā)展歷史。回顧了民用飛機(jī)機(jī)身典型的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)剛架結(jié)構(gòu)、硬殼式結(jié)構(gòu)、半硬殼式機(jī)身結(jié)構(gòu)形式作了簡(jiǎn)要介紹和分析。論述了斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在航天和航空領(lǐng)域的應(yīng)用情況，以及目前國(guó)際上運(yùn)用復(fù)合材料斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)所取得的進(jìn)展。將復(fù)合材料斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，給出了復(fù)合材料斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)所具有的潛在結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。最后在對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，對(duì)這種結(jié)構(gòu)在復(fù)合材料機(jī)身上的應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：機(jī)身 結(jié)構(gòu)形式 斜交網(wǎng)格 復(fù)合材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TB33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）03（b）-0009-02

在建筑業(yè)，金屬鋼架結(jié)構(gòu)在19世紀(jì)末20世紀(jì)初大量涌現(xiàn)，如法國(guó)埃菲爾鐵塔，俄國(guó)舒霍夫塔等。在這些建筑結(jié)構(gòu)中，舒霍夫塔結(jié)構(gòu)這種與眾不同的雙曲結(jié)構(gòu)形式，不但在建筑領(lǐng)域廣泛采用，還進(jìn)入了航天和航空領(lǐng)域并大放異彩。并且隨著歷史的發(fā)展，某些早期結(jié)構(gòu)在飛機(jī)上不再流行時(shí)，雙曲結(jié)構(gòu)卻隨著復(fù)合材料的應(yīng)用，而表現(xiàn)出了一定的結(jié)構(gòu)生命力。

1 斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的誕生

1896年在全俄羅斯展覽會(huì)水塔建造時(shí)，弗拉基米爾·舒霍夫采用了一種斜交雙曲網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的力學(xué)穩(wěn)定性非常好，雖然是雙曲結(jié)構(gòu)但由于是直母線(xiàn)旋繞構(gòu)成，可以采用直梁建造。這種結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于水塔、冷卻塔、燈塔等建筑，采用這種斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的雙曲塔建筑被俄羅斯人稱(chēng)為舒霍夫塔[1]。

2 常見(jiàn)機(jī)身結(jié)構(gòu)

早期飛機(jī)結(jié)構(gòu)主要有剛架結(jié)構(gòu)和硬殼式結(jié)構(gòu)，剛架結(jié)構(gòu)如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)由端頭互相連接的桿系構(gòu)成三角形單元構(gòu)成，外力作用于結(jié)構(gòu)后，桿元只承受拉壓載荷。這種結(jié)構(gòu)在橋梁的運(yùn)用上非常廣泛。早期的飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)曾經(jīng)大量采用這種結(jié)構(gòu)形式，以剛架結(jié)構(gòu)包覆蒙布?，F(xiàn)代的很多輕型飛機(jī)機(jī)身仍在采用，某些飛機(jī)為了具有更好的空氣動(dòng)力學(xué)性能或美學(xué)流線(xiàn)性而附加使用了長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)。另一種早期飛機(jī)的結(jié)構(gòu)是硬殼式結(jié)構(gòu)，如圖3所示，硬殼式結(jié)構(gòu)類(lèi)似于雞蛋，載荷主要由外部蒙皮承擔(dān)，這樣的蒙皮稱(chēng)為結(jié)構(gòu)性蒙皮。這種技術(shù)也被稱(chēng)為一體成型技術(shù)，在賽車(chē)上廣泛應(yīng)用，在飛機(jī)上主要應(yīng)用在預(yù)裝配運(yùn)動(dòng)型飛機(jī)和滑翔機(jī)上，如圖3所示。初期飛機(jī)機(jī)身應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)是使用層合板，后期使用玻纖復(fù)合材料。這種結(jié)構(gòu)是剛性骨架結(jié)構(gòu)的另一個(gè)極端，主承載元件由剛架轉(zhuǎn)移到了蒙皮。

目前廣泛采用的飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)是半硬殼式結(jié)構(gòu)，如圖4所示，這種結(jié)構(gòu)也稱(chēng)為應(yīng)力蒙皮結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由鋁合金橫向結(jié)構(gòu)框和縱向結(jié)構(gòu)長(zhǎng)桁構(gòu)成骨架，外部鉚接鋁合金蒙皮，形成“蒙皮-長(zhǎng)桁-框”結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)中蒙皮主要承受拉伸和剪切載荷，其它載荷由骨架承擔(dān)。這種半硬殼式結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)與鋁合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的大量應(yīng)用，以及增壓機(jī)身的需求都有關(guān)系。

3 斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)機(jī)身結(jié)構(gòu)

二戰(zhàn)前期英國(guó)人Barnes Wallis在飛艇上發(fā)展了這種結(jié)構(gòu)，并稱(chēng)之為“geodetic”結(jié)構(gòu)，它的數(shù)學(xué)描述是曲面上的最短距離路徑，其后續(xù)雇主公司Vickers-Armstrongs將其用在一系列的轟炸機(jī)上，如Wellesley，Wellington， Warwick， Windsor等，如圖5所示，這些飛機(jī)在二戰(zhàn)中成了主力機(jī)型。由于這種飛機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度表現(xiàn)優(yōu)異，與前述的剛架結(jié)構(gòu)早期飛機(jī)不同，可以不再依賴(lài)內(nèi)部支持結(jié)構(gòu)，從而使內(nèi)部空間得到更有效利用，并且比硬殼式層合板結(jié)構(gòu)要輕。在與雙翼機(jī)的對(duì)比試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)單翼的強(qiáng)度足以滿(mǎn)足要求，從此雙翼設(shè)計(jì)不再成為主流。后來(lái)，由于航空領(lǐng)域高空高速和增壓機(jī)身的需求，以及加工難度較大，該結(jié)構(gòu)被放棄。

在航天領(lǐng)域，從斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在俄羅斯誕生之日起，俄羅斯就做了大量研究和運(yùn)用，如運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈等等。俄羅斯特種機(jī)器中央研究院目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了直徑4 m，長(zhǎng)度8 m，承軸壓600 kN/m的桶狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如圖6所示。這種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)國(guó)內(nèi)稱(chēng)為格柵結(jié)構(gòu)[2]。

在民航領(lǐng)域，俄羅斯特種機(jī)器中央研究院采用斜交網(wǎng)格和蒙皮用碳纖維絲素纏繞一次成型技術(shù)開(kāi)發(fā)了復(fù)合材料機(jī)身，如圖7所示。這種結(jié)構(gòu)突破了傳統(tǒng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)如層合板的諸多力學(xué)弱點(diǎn)和限制，如準(zhǔn)各向同性層合板在試驗(yàn)中表現(xiàn)出的拉伸強(qiáng)度受樹(shù)脂限制（圖8），實(shí)用擠壓強(qiáng)度低（圖9），沖擊后承壓能力下降等現(xiàn)象[3]。雖然復(fù)合材料斜交網(wǎng)格機(jī)身應(yīng)用目前仍處于試驗(yàn)階段，但已經(jīng)表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。

4 與蒙皮-長(zhǎng)桁-框結(jié)構(gòu)比較

當(dāng)前主流的民機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)還是“蒙皮-長(zhǎng)桁-框”結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式充分發(fā)揮了金屬材料的優(yōu)勢(shì)，這種結(jié)構(gòu)也被稱(chēng)為半硬殼式結(jié)構(gòu)。在目前復(fù)合材料機(jī)身的設(shè)計(jì)上，基本上仍是延用“蒙皮-長(zhǎng)桁-框”結(jié)構(gòu)形式。在這種結(jié)構(gòu)形式下，復(fù)合材料不能完全發(fā)揮出材料優(yōu)勢(shì)，此時(shí)復(fù)合材料也被稱(chēng)為“黑金屬”。[4] 而其筆者經(jīng)歷的某型飛機(jī)在翼身整流罩運(yùn)用復(fù)合材料層合板時(shí)，還發(fā)現(xiàn)為了滿(mǎn)足剛度和耐沖擊要求需要增加鋪層厚度而無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期減重目標(biāo)的情況，最后決定采用蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)。

和蒙皮-長(zhǎng)桁-框結(jié)構(gòu)不同，復(fù)合材料斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是以斜交網(wǎng)格而非蒙皮作為主承載結(jié)構(gòu)，蒙皮損傷不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。雖然現(xiàn)在還不能說(shuō)應(yīng)用復(fù)合材料斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)一定優(yōu)于“蒙皮-長(zhǎng)桁-框”結(jié)構(gòu)形式，但從新材料應(yīng)使用新結(jié)構(gòu)形式角度來(lái)講，這是一種積極探索。

5 結(jié)論

斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)誕生在建筑領(lǐng)域，但由于優(yōu)異的結(jié)構(gòu)效率而進(jìn)入航天航空領(lǐng)域。雖然各國(guó)對(duì)其均有一定研究和應(yīng)用，但俄羅斯在斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用最為成功，因而這種結(jié)構(gòu)也被俄羅斯國(guó)外稱(chēng)為“俄羅斯各向異性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)”。雖然目前在民航飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證，但隨著研究的深入和復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)步，這種結(jié)構(gòu)在民航領(lǐng)域可能再度表現(xiàn)出較高的應(yīng)用價(jià)值和前景，我們?cè)谧鰪?fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)研究時(shí)應(yīng)對(duì)其開(kāi)展進(jìn)一步研究，而不要局限于“蒙皮-長(zhǎng)桁-框”結(jié)構(gòu)形式。

參考文獻(xiàn)

[1] wikipedia [EO/OB] http：//en.wikipedia.org/wiki/Vladimir_Shukhov，2014-08-03.

[2] 楊乃賓，章怡寧.復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002：130.

[3] V.V.Vasiliev，A.F.Razin，development of geodesic composite aircraft structures [C].ICAS 2012.

[4] A.Shanygin， V.Fomin， designing pro-composite aircraft concepts and layouts to maximize potential benefits of high specific strength of CFRP [C].ICAS 2012.endprint