复合材料层压板开口设计

苗强

【摘 要】飞机机身结构上不可避免要开有许多开口，例如各类系统的通过孔，旅客观察窗开口，登机门/服务门开口等。开口削弱了结构的传载能力，必须对开口区域进行补强。相比金属，复材机身对开口更为敏感，加上复材特别的制造工艺特点，需在设计初期就确定开口加强的形式与结构参数。本文将介绍工程常用的复材机身结构上中小型开口增强方案及结构设计，从减重和效率上分析各类补强方案的特点。

【关键词】复材；机身；开口；加强结构

中图分类号： V229.7 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）23-0033-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.010

【Abstract】Considering system tubes assembly，passenger windows and service doors，fuselage structures are usually designed with all kinds of cutouts.Cutout destroys fuselage integrity and decreases structures' strength and stiffness； structure strengthening needed to be done to meet stress requirements.Composites are more sensitive to cutouts，and care should be taken to design cutout in composites.In this article，common strengthen methods of composite laminate cutouts are discussed which can be a guidance to design engineers.

【Key words】Composite；Fuselage；Cutout；Reinforcement

考慮工艺施工、检查维修、设备安装以及管路通过，飞机机身上常需布置很多开口（开孔）。这些开口不论大小，均破坏了原有结构的完整性，削弱结构承载能力。此外，开口处会出现应力集中，高应力使开口成为疲劳危险区，因此对结构开口应精心设计。

与金属不同，复合材料开口不仅切断了承载纤维引起强度和刚度下降，而且复材的应力集中和边缘效应更明显，促使复材孔边提前破坏。复合材料面内承载能力高，制造工艺决定了它不适合制造成复杂的外形，因此复材在机身结构上的应用通常是蒙皮、腹板这类加筋层压板以及整流罩的蜂窝夹芯板。蜂窝夹芯板主要用于载荷不大的次要结构，例如整流罩面板，其上的维修口常用口盖进行加强和封严。对于承载要求高的层压板，鉴于疲劳和耐久性要求，开口加强设计显得尤为重要。因此，本文将重点研究飞机层压板开口加强结构设计，阐述工程常用的加强方案。

1 开口形状与尺寸

设计复材零件开口时应以“尽量少地切断纤维、开口应力集中小”为原则，这样的开口最大程度的保持原来结构的承载能力。此外，还要考虑制造方便。机身结构上最常用的开口有圆形和椭圆形两种，受力合理，易于加工。

按开口尺寸，可把机身结构上开口分为三种：小开口、中开口和大开口。小开口，如管线通过孔，其孔径通常为20～30mm。由于复材机身的设计许用应变是按冲击损伤无扩展原则确定[1]，剩余强度大，对于孔径/板宽小于0.2的小开口，结构可以承受孔边应力集中引起的高应力。因此，对小开口不要求补强。中等开口孔直径在60～120mm范围，孔径/板宽为0.5左右，如蒙皮壁板开口以及承受剪力的梁、肋、框、腹板开口等。开口不切断筋条、长桁、立柱等轴力承载零件。这类开口需要加强，使得开口后至少拥有原结构60%～70%的承载能力。大开口孔直径在150mm以上，开口要切断带有筋条/桁条的蒙皮和腹板。此类开口应进行详细的应力分析获得开口影响范围，并针对传载要求进行专门的开口影响区加强设计。

2 开口加强设计

开口设计的核心是如何进行加强。加强后，结构承载能力应能满足强度要求。加强措施应传力合理，工艺可行，重量轻。

2.1 小开口

针对中、小开口，由于开口不切断轴力承载零件，使用加强片加强就可以有效提高开口腹板的承剪能力和刚度。补片的加强方式有腹板两侧补片对称加强和腹板单侧补片加强。补片可以插层到开孔铺层里，也可以贴补在开孔板上。实践表明，补片两侧插层的效果最好。

补片设计主要需确定补片厚度Δt、直径D。设计时，首先根据未开口结构的工作应力N获得母板的厚度t和铺层。再根据开孔直径d和母板宽度W的比值d/W，进行孔边应力分析或查手册获得应力集中系数Kt，那么开口结构的工作应力Nt=fKtN，其中f为安全系数。根据Nt按无孔层压板设计，求出补片区厚度ts，那么补片厚度Δt=ts-t。补片直径D应能保证开口周围有足够的剪切强度，一般取D/d=1.5～2.0[2]。工程经验表明，对于d/W小于0.45的开孔，采用圆形补片效果最好；对于d/W大于0.45的开孔，采用腹板全宽度加强效果最好。

2.2 大开口

对于大开口（如舱门），需使用“口框”和厚蒙皮进行加强。大开口切断了多处轴力传载元件，开口处的轴力转化为剪切方式传递。复材层压板开口载荷与金属薄板相似，但复材受影响范围比金属结构大，不仅与结构尺寸、材料性能有关，还受铺层参数影响。在开口区适当增加±45o铺层的占比或选用剪切性能好的材料，可减小开口受影响范围以及对结构减重有好处。蒙皮补强一般采用2.1节所述的补片插层方式，补片可与结构一起铺贴，采用共固化成形。

3 总结

本文总结了机身结构上常用的复材层压板开口加强方式以及参数设计，可供民机设计师参考。进行复材开口设计时，在本文提及的工程设计方法基础上仍需进行严谨的强度校核。

【参考文献】

[1]姜波.飞机检测与维修实用手册（第一卷）.吉林科学技术出版社，2005：426.

[2]牛春匀.实用飞机结构应力分析及尺寸设计[M].北京：航空工业出版社，2009：240.