复合材料整体机身框环向弯曲试验研究与强度分析_梁珩.pdf

第 14 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.14 No.1Feb.2023航空工程进展ADVANCES IN AERONAUTICAL SCIENCE AND ENGINEERING复合材料整体机身框环向弯曲试验研究与强度分析梁珩，汤国伟，郑晓玲（上海飞机制造有限公司 复合材料中心，上海 201324）摘要：机身框作为民用飞机的主要承载结构，其承载效率对飞机的重量具有重要意义。为研究整体机身框的失效模式和承载能力以及侧向支撑对框承载能力的影响，对复合材料 C型和 Z型整体机身框曲板试验件进行环向弯曲试验。采用大小相等方向相反的一对力偶将弯曲载荷施加在试验件上，对工程方法进行修正，与有限元模型一同对整体机身框失效载荷进行预测，并与试验结果进行对比。结果表明：C 型整体框拥有比 Z型整体框更好的承载能力；侧向支撑对整体机身框失效模式影响效果显著，合理地设计布置侧向支撑，是提高复合材料机身框承载效率的关键；采用修正后的工程方法能够有效预测框的侧向失稳，可以用于整体机身框尺寸和侧向支撑布置方案的快速计算迭代；但是框内缘局部稳定性方法不够保守，需要采用有限元模型进行优化迭代。关键词：机身框；复合材料；稳定性；失效模式；工程方法中图分类号：V214.8 文献标识码：ADOI:10.16615/ki.1674-8190.2023.01.12Research and strength analysis of hoop bending test of composite fuselage integral frameLIANG Heng，TANG Guowei，ZHENG Xiaoling（Composite Center，Shanghai Aircraft Manufacturing Co.，Ltd.，Shanghai 201324，China）Abstract：As the main bearing structure of civil aircraft，the fuselage frame is of great significance to the weight of the aircraft.A hoop bending test is carried out on the composite fuselage curved panels with C-type and Z-type integral frames to study the failure mode and load-bearing capacity of the integral frame，as well as the influence of la-teral support on the load-bearing capacity of the frame.A pair of force couple is used to apply bending load on the panel.The modified engineering method and finite element（FE）model are used to predict the failure load and compare with the test results.The results show that C-type integral fame has better design redundancy than Z-type integral frame.The arrangement of lateral support is the key to improve the load capability of the integral frame，as it can affect the failure mode.The modified engineering method can predict the frame lateral stability effectively，which can be used for calculation iterations of the integral frame size and lateral support arrangement rapidly.However，the engineering algorithm for inner flange local stability is not conservation，and the FE model should be used for optimization iteration.Key words：fuselage frame；composite；stability；failure mode；engineering method文章编号：1674-8190（2023）01-104-10收稿日期：20220217；修回日期：20220413通信作者：梁珩,lianghengcomac.cc引用格式：梁珩,汤国伟,郑晓玲.复合材料整体机身框环向弯曲试验研究与强度分析J.航空工程进展,2023,14(1):104-113.LIANG Heng,TANG Guowei,ZHENG Xiaoling.Research and strength analysis of hoop bending test of composite fuselage integral frameJ.Advances in Aeronautical Science and Engineering,2023,14(1):104-113.(in Chinese)第 1 期梁珩等：复合材料整体机身框环向弯曲试验研究与强度分析0引 言民用飞机中机身框主要起到维持机身壁板外形、承担机身面外载荷的作用，作为壁板的加筋结构能够提高机身抗弯刚度，是机身承载结构的重要组成部分1。近年来随着高强度碳纤维复合材料的研究愈发成熟，新一代的大型民用飞机如波音 787和空客 A350均采用了先进复合材料作为飞机的主承力结构，可以减少 12%15%的最大起飞重量2。其中，波音 787-9 采用了复合材料整体机身框，充分发挥了复合材料可设计性强、连接件数量少的优点，可以大幅降低飞机的结构重量3。复合材料结构的失稳是复合材料机身的主要失效模式，对于复合材料加筋结构的稳定性，国内外已经进行了大量研究，给出了复合材料机身壁板结构的设计、分析和验证方法4-8。然而对于复合材料机身框，这种筋条高度较大的结构在环向载荷作用下的失效研究相对较少。龚德志等9研究了加筋壁板在轴向压缩载荷作用下长桁凸缘的侧向稳定性，给出了侧向支撑件的刚度设计计算方法；何周理等10对单个 C 型整体框采用两端施加载荷的方式，使考核区承担纯弯曲载荷，最终试验件发生面外失稳，且在支持区域发生破坏；陆磊等11通过试验研究了复合材料机身框承受轴向压缩载荷下的失效模式，并与工程理论计算、有限元分析进行对比；陈昊等12对复合材料机身曲框进行了环向弯曲加载试验，对曲框的环向稳定性和破坏模式进行了分析；高宾华等13采用三点弯的方式研究了 J 型机身框在冲击载荷作用下的载荷响应和能量吸收，发现 J 型截面发生扭转变形；S.Heimbs等14通过试验获取了 C 型整体框内缘和腹板的动响应参数，并建立有限元模型对机身适坠性进行了模拟；Zhang Lei 等15采用全新的屈曲理论研究 C 型和 Z型梁的侧向稳定性，并与有限元模型进行了对比；Hao C 等16采用四点弯的试验方式对比研究了 C 型和 Z 型整体框的屈曲和后屈曲承载能力。上述文献主要研究对象为单框结构，在试验过程中由于缺少壁板的足够支撑，试验件大多发生扭转变形，与实际飞机结构变形状态不符。本文对比研究 C 型和 Z 型整体机身框的承载能力，针对框侧向失稳问题，对工程方法进行修正，并将工程方法和有限元分析方法计算得到的失效应变与试验结果进行对比分析。1试验件与试验1.1试验件机身框的主要功能是维持机身剖面的形状，承担飞机惯性载荷、气动载荷及增压载荷。在这些载荷的作用下，机身框主要承受拉伸、压缩、剪切及弯曲载荷。根据上述载荷形式及飞机结构形式，将试验件设计为 3个框、7个长桁的带曲率壁板结 构。试 验 件 总 长 度 为 2 050 mm，总 宽 度 为 1 640 mm，曲率半径为 3 000 mm。试验件长桁剖面为帽型，框剖面分别采用 C 型和 Z 型，如图 1所示。试验件的蒙皮、长桁和框均采用中模高强碳纤维自动铺丝/铺带预浸料进行制造，铺层信息如表 1 所示，单层厚度 t=0.19 mm，蒙皮与长桁连接为共胶接，框与壁板之间采用高锁螺栓连接。预浸料材料基本力学性能如表 2所示。（a）Z构型整体框及试验件（b）C构型整体框及试验件图 1 复合材料整体机身框试验件示意图Fig.1Composite panels with integral frames105第 14 卷航空工程进展由于民用飞机机身框需要有较好的抗弯刚度，因此设计的内缘高度较高，且将材料尽量往内、外缘条堆积。但是这样的设计会导致框内缘的侧向弯曲刚度大幅降低，在承受弯曲载荷时，存在侧向失稳先于内缘局部失稳的危险，从而引起框剖面形状的改变，结构承载效率降低。因此需要在合适的距离设计框侧向支撑角片，如图 2 所示，用最小的重量代价获得框与壁板组合剖面的最大抗弯刚度。本文试验共设计 5 种构型的试验件，如表 3 所示，用于研究 C 型整体框与 Z型整体框的承载能力以及侧向支撑角片的支撑效果，其中支撑跨距指相邻侧向支撑之间长桁的数量。1.2试验支持与测量本文试验的主要目的是对比 C 型整体框与 Z型整体框的承载能力，获取整体框的失效模式，指导民用飞机复合材料整体机身框的设计。试验采用一对作动筒在试验件上下两侧协调加载，形成大小相等方向相反的一对力偶，将弯曲载荷对称地施加在两端夹持区域。由于试验件由 4 根台柱支撑，为防止试验过程中试验件变形带来额外的载荷约束，台柱一侧为固支，另一侧为铰支。试验装置的原理图如图 3所示。试验开始前需要计算因夹具、液压作动筒自重产生的额外弯矩，在两个作动筒施加一对平衡力偶，从而保证试验件考核区承受纯弯曲载荷，扣重的计算方法如图 4所示。1.3试验测量为得到整体框在承弯状态下的载荷分布及失效状态，在试验件的内缘，腹板及蒙皮的正反面贴上应变片用于测量对应位置的应变，如图 5 所示。应变测量装置采用 ST-16 应变采集系统，量程为20 000，测量精度为 0.5 级。同时，本试验还用 3 维数字散斑测量系统对试验件框内缘进行位移测量。图 2 侧向支撑角片示意图Fig.2Diagram of lateral support表 1试验件铺层信息Table 1layer information of test article部位蒙皮长桁框层数12910铺层顺序45/-45/0/90/45/-45 s45/0/0/-45/90/-45/0/0/4545/-45/0/90/45/-45/90/0/-45/45表 2预浸料力学性能Table 2Mechanical properties of prepreg tape参数E11/GPaE22/GPaG12/GPa数值1559.64.6参数12t/mm数值0.30.19图 4 扣重载荷计算示意图Fig.4Tare load calculation表 3复合材料整体框弯曲试验件构型Table 3Test configuration of composite integral frame编号Z-1#Z-2#Z-3#C-1#C-2#构型Z型Z型Z型C型C型支撑数量-24-4支撑跨距-42-4框连续受压长度/mm1 7008004001 700400图 3 整体框弯曲试验装置Fig.3Test device of hoop bending test106第 1 期梁珩等：复合材料整体机身框环向弯曲试