徐思文

【摘 要】長桁與蒙皮脫粘是飛機復材加筋壁板后屈曲時主要的失效模式之一，學術(shù)界和飛機設(shè)計單位對這一兼具學術(shù)價值和應(yīng)用價值的難題，開展了大量不同層級的試驗研究。本文通過文獻調(diào)研，著重介紹各層級試驗件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和試驗加載方案，并對比不同方案之間的差異，為復材加筋壁板后屈曲時長桁與蒙皮脫粘試驗的試驗方案規(guī)劃提供參考。

【關(guān)鍵詞】復材加筋壁板；后屈曲；脫粘；結(jié)構(gòu)設(shè)計；加載方案

0 前言

為了減小復材加筋壁板結(jié)構(gòu)的重量、提高飛機的承載能力，現(xiàn)代飛機設(shè)計時通常允許復材壁板在極限載荷前屈曲[1]，而為了進一步挖掘復材飛機的潛力，允許復材壁板在限制載荷前屈曲已經(jīng)進入人們的視野[2]。壁板在后屈曲狀態(tài)下，長桁或蒙皮的局部變形使得長桁/蒙皮界面上產(chǎn)生較大的“剝離應(yīng)力”，引起長桁與蒙皮間脫粘[3-4]。因此，對長桁/蒙皮脫粘問題的研究成為復材加筋壁板后屈曲設(shè)計所必須攻克的難題。由于目前對于脫粘問題的有限元計算方法尚不成熟，因此大量針對這一問題的試驗得以展開，用以觀察脫粘現(xiàn)象、研究脫粘影響因素以及驗證脫粘計算方法。

這些不同層級的試驗構(gòu)成了長桁/蒙皮脫粘的積木式試驗分析體系[3-5]，如圖1所示。圖1中最底層材料級試驗是用于材料選型的試片試驗，不直接用于脫粘問題的研究。第二層非細節(jié)級試驗是不考慮飛機結(jié)構(gòu)細節(jié)的試片試驗，通過簡單的試驗件設(shè)計和單一的加載方案，來研究長桁蒙皮脫粘的數(shù)值分析方法。第三層級（單元級）、第四層級（壁板級）試驗考慮了具體結(jié)構(gòu)細節(jié)，通常采用與實際飛機結(jié)構(gòu)相同的單長桁或多長桁加筋壁板，研究結(jié)構(gòu)在壁板后屈曲過程中的脫粘破壞模式和承載能力等。第五層全機級試驗是為了驗證全機后屈曲計算方法的正確性和承載能力。由于全機級試驗昂貴并且耗時，因此大量長桁與蒙皮脫粘的試驗集中于第二至第四層級試驗。本文主要通過文獻調(diào)研，展示并對比了第二至第四層級的試驗件結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗加載方案，為復材加筋壁板后屈曲時長桁蒙皮脫粘研究試驗方案提供參考。

1 非細節(jié)級試驗方案

非細節(jié)級試驗不考慮飛機壁板結(jié)構(gòu)細節(jié)，也不模擬壁板結(jié)構(gòu)實際受載情況，主要是為了研究長桁蒙皮脫粘的數(shù)值分析方法。因此，試驗件結(jié)構(gòu)簡潔，加載方案單一明確。

下圖 2所示為該級試驗的典型結(jié)構(gòu)形式[1-7]，通常為長度200mm、寬度30mm左右的試片，蒙皮設(shè)計為復材平板，長桁僅考慮凸緣部分。由于試驗件較為簡單，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計上通常會改變?nèi)舾山Y(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，便于結(jié)果的分析對比和對數(shù)值分析方法的研究驗證，如圖 2即考慮了長桁凸緣倒角的影響。

下圖 3和圖 4所示為非細節(jié)級脫粘試驗的三種典型加載方案。其中圖 3所示為軸向拉伸加載方案，夾具與試件長度方向兩端相連，施加拉伸載荷。圖 4為考慮彎矩作用下長桁蒙皮脫粘的三點彎和四點彎加載方案，兩個簡支約束點位于試驗件下方，僅約束重力方向的試驗件位移，加載點位于試驗件上方，其中四點彎試驗方案由于設(shè)置了兩個加載點，對試驗件長度方向上彎矩分布的模擬調(diào)節(jié)更為靈活。此外，文獻[6]還介紹了拉伸-彎曲組合載荷作用下的脫粘試驗方案，但組合載荷下脫粘試驗多數(shù)在下文細節(jié)級試驗中展開，非細節(jié)級試驗仍然以單一載荷脫粘試驗為主。

3 單元級試驗方案

單元級試驗考慮了飛機壁板結(jié)構(gòu)細節(jié)，加載方案上也試圖模擬壁板實際受載情況，主要是為了研究一些結(jié)構(gòu)細節(jié)參數(shù)（蒙皮厚度、長桁自由邊倒角等）對壁板后屈曲時長桁蒙皮脫粘強度的影響，并研究探討數(shù)值模擬方法。

單元級試驗的試驗件通常采用單長桁加筋平板結(jié)構(gòu)，試驗件的尺寸除了需要考慮飛機壁板的長桁、蒙皮實際尺寸以外，也與加載方案直接相關(guān)。通?？煞譃閮深?，一類是長桁長度方向受載情況相同，此時長桁長度方向尺寸設(shè)計與非細節(jié)級試驗類似，沒有具體的限制，通常30mm左右，如下圖 5c所示；另一類是長桁長度方向受載情況不同，此時長桁長度方向尺寸設(shè)計依賴于具體加載方案，一般在100mm量級，如下圖 5b所示。

單元級試驗加載方案除了要考慮對壁板實際載荷的模擬情況，也會受到長桁類型的限制。根據(jù)不同試驗方案對載荷的模擬情況，單元級試驗加載方案也可分成兩類：一類對應(yīng)上圖 5c所示的試驗件結(jié)構(gòu)方案，加載方案著重模擬（長桁與蒙皮界面或壁板所承受的）單一或組合的載荷類型，通常施加了多少載荷是試驗前設(shè)定或者可以工程推算的；第二類對應(yīng)上圖 5b所示的試驗件結(jié)構(gòu)方案，加載方案通過模擬壁板后屈曲變形，來模擬長桁蒙皮后屈曲脫粘時的實際受載情況，這種情況下試驗件實際承受的載荷大小是無法根據(jù)試驗加載情況工程推算的。

第一類的加載方案主要有三種，分別為模擬單一載荷的拉脫加載方案[9-11]和四點彎加載方案[8]，以及模擬組合加載方案的拉伸-彎曲加載方案[14]。下圖 5所示為拉脫試驗加載方案，模擬壁板后屈曲時長桁與蒙皮界面的面外拉脫載荷，加載點位于T型長桁立筋處[9-10]（或帽型長桁的帽頂內(nèi)部[11]），兩側(cè)各一個約束點，約束點可能為簡支或固支，兩種約束方式的優(yōu)劣尚無定論，但簡支可以避免試驗件在約束點發(fā)生破壞[9]。四點彎[8]試驗加載方案與非細節(jié)級四點彎[3]試驗加載方案相同，用于模擬壁板后屈曲時彎矩作用下的長桁與蒙皮脫粘，只不過單元級試驗中長桁常采用與實際飛機長桁結(jié)構(gòu)一致的結(jié)構(gòu)形式。下圖 7所示為拉伸-彎曲組合加載方案[12]，該方案中長桁位置固定，夾具夾住蒙皮兩端，模擬施加壁板后屈曲時承受的軸力和彎矩的組合載荷。同樣為了模擬壁板后屈曲時承受的載荷，文獻[13]采用與圖 7類似的加載方案，但作者似乎認為壁板后屈曲時蒙皮的拉伸載荷不存在或者對脫粘不重要，因而沒有施加蒙皮拉伸載荷。

第二類的加載方案主要有兩種，分別為單元級三點彎[8-14]和七點彎[15-17]加載方案。下圖 8所示為（單元級）三點彎加載方案示意圖，試驗件兩端簡支約束，加載點位于試件中部兩側(cè)的蒙皮上，通過試件中部蒙皮的變形來模擬帽型長桁加筋壁板的屈曲變形。三點彎試驗方案適用于帽型長桁試驗件，而對于T型長桁試驗件，常用下圖 9所示的七點彎加載方案[16]，該方案在試驗件下部設(shè)置五個支撐點，上部設(shè)置兩個加載點，在兩側(cè)加載點對應(yīng)位置處的蒙皮上產(chǎn)生兩個壓窩，模擬壁板的局部屈曲變形?，F(xiàn)有文獻調(diào)研表明，七點彎試驗方案目前未見應(yīng)用于帽型長桁試驗件，本文認為這是由于試件下部中間位置支撐點載荷較大[16]，若作用于帽型長桁試驗件，該支撐點處蒙皮在沒有長桁支持的情況下可能會先于長桁/蒙皮脫粘前破壞。

4 壁板級試驗方案

由于非細節(jié)級和單元級試驗的試驗件尺寸較小，難以設(shè)置和衡量損傷缺陷對壁板后屈曲時長桁蒙皮脫粘的影響，且依據(jù)這兩層級試驗結(jié)果研究得到的數(shù)值模擬方法也不能直接用于真實飛機壁板后屈曲時的脫粘分析。因此，有必要采用帶損傷缺陷的單長桁或多長桁壁板試驗件開展壁板級試驗，研究損傷缺陷對壁板后屈曲時長桁蒙皮脫粘的影響，并對數(shù)值模擬方法進行驗證。

壁板級試驗采用單長桁[18-20]或多長桁[21-27]加筋壁板試驗件，雖然多長桁加筋壁板試驗件更能反映后屈曲過程中壁板變形與破壞之間的非線性耦合關(guān)系，但這種復雜的耦合關(guān)系也給分析帶來了困難，文獻[20]即認為采用單長桁試驗件能夠反映完整壁板的屈曲變形和整體應(yīng)力分布，同時降低數(shù)值分析的難度。多長桁壁板試驗件的長桁距按照實際飛機壁板的長桁間距，長桁方向的試件長度則參照飛機實際框間距，試件大多采用無曲率的平直壁板。

壁板級試驗的加載方案通常為長桁軸向純壓加載，試件兩端可通過樹脂和鋁粉[20]或者其它材料的粘結(jié)劑固定于端部盒子里，以保證壓力加載均勻，如圖 11所示。

5 結(jié)論

長桁/蒙皮脫粘是復材加筋壁板后屈曲設(shè)計時所必須攻克的難題，對該問題的大量試驗研究，構(gòu)成了長桁/蒙皮脫粘的積木式試驗分析體系。本文通過文獻調(diào)研，重點展示了積木式試驗中第二至第四層級的試驗件結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗加載方案，對比分析了它們的設(shè)計原則和特點，為復材加筋壁板后屈曲時長桁蒙皮脫粘研究的試驗方案提供參考。

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[責任編輯：朱麗娜]