复合材料壁板结构选型试验研究

江姗 陈海波

摘 要：随着科技的发展，复合材料越来越广泛地应用于现代飞机上。本文对某型机的复合材料壁板结构进行了选型试驗研究，并对试验结果进行了分析，为复合材料壁板结构的设计提供了参考和依据。

关键词：复合材料;选型试验;结构

中图分类号：V214 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）12-0081-02

0引言

随着科技的发展，复合材料已广泛应用于军用飞机和民用飞机上，对要求具有高强度重量比和高刚度重量比的结构，复合材料是最理想的材料。复合材料已逐渐取代铝合金，成为结构设计的主要材料[3]。

复合材料壁板为结构的主承力部件，其所占的重量比例较大，对于结构减重具有重要的意义，因此，对于复合材料壁板结构，在既定材料、外形、结构布置和载荷前提条件下，需要通过结构选型试验，结合优化分析，设计出满足结构稳定性、强度等性能要求的重量最轻的壁板结构形式[1]。

1 试验目的

复合材料壁板结构选型试验件采用复合材料层压平板类试验件，试验件长度和宽度尺寸各取某型机襟、副翼前后梁之间最大长度和典型肋距，平板试验件选取四种类型（三种尺寸类型和一种加筋板类型），每种类型的壁板包括3种铺层厚度形式。

本次试验研究和比较三种厚度、两种类型（加筋板和不加筋板）下的壁板剪切屈曲情况，找出最有效、最合理的结构形式，为强度校核提供试验数据，为壁板结构选型提供依据，同时，在既定材料、外形、结构布置和载荷前提条件下，设计出满足结构稳定性、强度等性能要求的重量最轻的机襟、副翼壁板结构形式。

2 试验设计及结果分析

2.1适航要求

复合材料壁板结构强度试验要符合MIL-HDBK-17中所推荐的方法，并且需满足适用的CCAR 25（FAR 25）适航条款以及相应的咨询通报（AC）的要求。

适用的CCAR 25（FAR 25）适航条款包括[2]：

（1）§25.601总则;

（2）§25.603材料;

（3）§25.605制造方法;

（4）§25.613材料的强度性能和设计值;

（5）AC 20-107BComposite Aircraft Structures;

（6）AC 21-26Quality Control for the Manufacture of Composite Materials。

2.2试验概述

试验件所用材料与某型机襟、副翼复合材料壁板选用的材料完全相同，为碳纤维织物，试验件中间为试验区，周边为加载区。为了保证试验件在试验区发生破坏，在四边加载区增加了铺层，同时在加载区壁板两面用铝板进行了加固，铝板材料为铝合金。

2.3试验内容

2.3.1试验加载

复合材料壁板结构选型试验是面内剪切试验，剪切载荷是在试验件四边通过螺栓施加与试验件边界平行的载荷，在对角线上再由螺栓合成为一个合力，使试验件处于对角拉伸状态，载荷方向过试验件形心，受力形式及加载方式如图1所示。

本试验中，试验件最大承载能力由试验确定。因此，试验前按照经验初步确定一个加载步长ΔP=4kN，以此载荷增量逐级加载并进行应变测量。

2.3.2试验测量

壁板剪切试验受力形式是壁板的加载对角线方向受拉伸载荷作用，另一个对角线方向受压缩载荷作用。因此，压缩一般会使壁板局部或整体较早进入屈曲状态，继续加载可引起壁板发生压缩和拉伸破坏，所以，屈曲载荷要比破坏载荷小很多。布置应变片时应在壁板容易发生弯曲部位的正、反两个面的对应点上粘贴，通过应变测量可以观测屈曲位置、屈曲载荷以及壁板在极限载荷下的破坏应变。

2.3.3试验结果及分析

（1）破坏载荷。按照加载步长ΔP=4kN将试验件加载至破坏，记录对应的载荷值与应变值。

（2）屈曲载荷。在本试验中，因为试验件试验区较薄，长宽比大，各试验件平面度也不尽相同，受载后会产生多个屈曲波（即半波），因此，不同位置应变片会有不同的屈曲载荷，使屈曲载荷的确定变得很困难。从强度角度来说，屈曲载荷应该是壁板中的最小屈曲载荷，但是薄板中个别点屈曲载荷太小，对应着数十个微应变，与破坏应变比较过于保守，故在确定屈曲载荷时采用多个位置综合考虑。一般位于板边界支持附近点的屈曲载荷高，距离边界远点的区域屈曲载荷低，因此，用全部测量点上屈曲载荷平均值作为该试验件的屈曲载荷，实际屈曲载荷应该低于此值或在此值附近。

测量点屈曲载荷的确定，是以该测量点屈曲时，载荷——应变曲线上的某点应变的绝对值大于其前后两点应变的绝对值，将此点作为屈曲点。如图2所示，将A点定义为屈曲点，A点前后两点的应变绝对值均小于A点。

如果试验件初始就不平，也就是说，壁板中面在自然状态下不是平面，特别是薄板，则初始受载时壁板就会产生弯曲，在剪切力产生的拉、压应变上就叠加了弯曲应变，因此，从一开始加载测量点上正反面两个应变片应变值便朝着正、负两个方向变化（屈曲前应该是一致的），使屈曲载荷很小（如图3中的曲线A-5和B-5）。显然，用此两点来确定壁板的屈曲载荷是不合适的，低于真实的屈曲载荷。因此，壁板的平面度对薄板的剪切屈曲影响很大。

对破坏载荷与屈曲载荷进行了对比，可以看出，随着铺层数增加，屈曲载荷增大，二者比值下降，表明增加铺层对提高屈曲载荷的作用超过了对破坏载荷作用。

比较加筋板与不加筋板试验件，可以看出，同样的铺层，加筋后屈曲载荷可提高1倍左右，但不会提高破坏载荷。从试验结果还可以看出，在结构长宽尺寸允许情况下，适当增大长宽比能显著提高壁板的屈曲载荷。

（3）破坏模式。从破坏模式看，绝大部分试验件破坏时的断口在力作用线方向，主要是弯曲破坏。部分壁板中有多个屈曲波，导致断口并不在试验件对角线上。由于屈曲产生弯曲，夹具限制了壁板自由边的转动，使板在夹具边界附近折断。另外，弯曲破坏的同时也伴有拉伸破坏，如长宽比较大的第一类试验件。

2.4试验结果分析

通过对试验件数据进行对比，得出在剪切载荷作用下，相对于增加两层铺层，增加长桁能更有效地提高试验件的屈曲载荷。

根据《飞机设计手册》第九册，正交各向异性矩形平板的剪切屈曲受载情况，计算剪切屈曲载荷，并将计算值与试验测量值进行对比，发现所有类型试验件的试验平均测量值均低于理论计算值，这是因为，剪切屈曲载荷计算公式基于四边剪流均匀分布，矩形板为理想平板，而实际试验加载过程中，由于局部出现应力集中，导致加载点附近钉载高于其他位置钉载，而且矩形板也不是理想的平板，所以在实际加载过程中，试验件上某些点可能提前进入屈曲，导致试验测量值低于理论计算值。

通过复合材料壁板选型试验，可以了解到，相同铺层条件下，长宽比大的试验件屈曲载荷高于长宽比小的试验件，特别是对于长宽比小的薄板，另一方面，壁板中面初始平整度对屈曲载荷影响很大，对同一尺寸试验件，铺层增加两层，可提高屈曲载荷1倍左右，且有筋条的屈曲载荷大约比无筋条的提高近1倍，但筋条对破坏载荷没有影响。

3结论

复合材料壁板选型试验对于强度校核以及后续飞机结构优化设计具有重要意义。在进行飞机壁板结构设计时，要综合考虑铺层条件、尺寸条件、以及板面平整度条件，力求设计出满足结构、强度等性能要求的重量最轻的壁板结构形式。

参考文献

[1] 《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册 第10册[M].北京：航空工业出版社，2001.

[2] CCAR-25-R4，运输类飞机适航标准[S].2011.

[3] 牛春匀，程小全，张纪奎.实用飞机复合材料结构设计与制造[M].北京：航空工业出版社，2010.