王勝 何勇 張明輝
【摘 要】通過(guò)有限元分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方式,對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料梁腹板開(kāi)孔對(duì)承載能力的影響進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合。當(dāng)開(kāi)孔孔徑與腹板寬度比不大于0.2時(shí),開(kāi)孔不需要補(bǔ)強(qiáng);當(dāng)孔徑與腹板寬度比大于0.2后,開(kāi)孔經(jīng)過(guò)補(bǔ)強(qiáng)后,可以滿足使用要求。
【關(guān)鍵詞】有限元;試驗(yàn);梁腹板開(kāi)孔;承載能力
0 引言
由于復(fù)合材料輕質(zhì)高性能的材料特點(diǎn),近年來(lái)復(fù)合材料在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,其中A350和B787兩個(gè)機(jī)型尤為突出,復(fù)材結(jié)構(gòu)使用率分別占到了全機(jī)的52%和50%。復(fù)合材料占飛機(jī)結(jié)構(gòu)的比率逐步提高,正成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)采用最重要的材料之一[1],本文以某型飛機(jī)舵面復(fù)合材料梁作為研究對(duì)象,研究復(fù)合材料梁腹板開(kāi)孔對(duì)承載能力的影響。舵面對(duì)于飛機(jī)的操作穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用,作為舵面的主要結(jié)構(gòu)件,梁以其腹板與蒙皮共同完成對(duì)于扭矩的傳遞,故梁腹板的剪切承載能力在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中很有必要。
1 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)
在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中,為便于結(jié)構(gòu)檢查,舵梁腹板上開(kāi)有Φ25mm檢查孔,該孔孔徑已接近升降舵梁高度的1/3,但未超過(guò)方向舵對(duì)梁梁高度的1/3,因此考核開(kāi)孔對(duì)梁腹板剪切承載能力的影響時(shí)需對(duì)升降舵梁腹板上的開(kāi)孔需要補(bǔ)強(qiáng)[2],而方向舵梁腹板上的開(kāi)孔則沒(méi)有補(bǔ)強(qiáng)。在方案設(shè)計(jì)的初步階段,梁腹板厚度尚不能完全確定,因此在試驗(yàn)方案中梁腹板規(guī)劃了兩種厚度,這兩種厚度有可能應(yīng)用于實(shí)際的結(jié)構(gòu)中。
梁結(jié)構(gòu)選型試驗(yàn)包括8組,每組4件共32件試驗(yàn)件。試驗(yàn)考核部位為操懸掛接頭和操縱接頭之間的梁腹板。試驗(yàn)件設(shè)計(jì)為I型梁,考核區(qū)位于梁腹板中間部分。考核區(qū)厚度設(shè)計(jì)為2.16mm和2.592mm,對(duì)應(yīng)的鋪層順序分別為[±45/(0,90)2/±45/(0,90)]s和[(±45)2/(0,90)2/±45/(0,90)]s:與真實(shí)結(jié)構(gòu)趨于一致。非考核區(qū)對(duì)應(yīng)的鋪層順序?yàn)閇(±45)2/(0,90)2/±45/(±45/(0,90))2]s考慮到試驗(yàn)夾持及其他因素設(shè)計(jì)的需要,梁腹板剪切穩(wěn)定性試驗(yàn)的試驗(yàn)件尺寸參數(shù)和梁結(jié)構(gòu)選型試驗(yàn)試驗(yàn)件規(guī)劃見(jiàn)表1。
3 試驗(yàn)結(jié)果
3.1 加載方式
按照懸臂梁的理論,懸臂梁的梁緣條承受拉壓載荷,腹板承受剪載,試驗(yàn)方應(yīng)采取必要措施確保粱緣條有足夠的強(qiáng)度,以保證梁緣條不會(huì)先于腹板失穩(wěn)。試驗(yàn)加載示意圖見(jiàn)圖2。試驗(yàn)件根部用夾具夾持固定在承力墻上,另一端通過(guò)接頭與液壓作動(dòng)筒連接,施加集中載荷,并在兩側(cè)施加約束,以保證載荷作用點(diǎn)通過(guò)試驗(yàn)件的截面形心。試驗(yàn)結(jié)果如下表3所示。
4 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析
經(jīng)過(guò)上述計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析得到,試件屈曲載荷的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最大誤差為05組試件,誤差值為7.71%,03組試件為最小誤差組,誤差值為3.3%。
5 結(jié)論
a)分析方法準(zhǔn)確、有效;誤差小于10%,可以滿足型號(hào)設(shè)計(jì)要求;
b)開(kāi)孔不補(bǔ)強(qiáng)比不開(kāi)孔,屈曲載荷下降,破壞載荷下降;當(dāng)孔徑較零件寬度比小于0.2時(shí)不需要補(bǔ)強(qiáng),反之視結(jié)構(gòu)重要程度進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng);
c)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)比不開(kāi)孔,屈曲載荷提高,破壞載荷下降;開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)后滿足使用要求。
【參考文獻(xiàn)】
[1]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.
[2]沈真,章怡寧,李新祥.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:航空工業(yè)出版社.
[責(zé)任編輯:湯靜]