一、靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則
一般情況下，靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求原則大致無(wú)異于金屬結(jié)構(gòu)，但在使用基體材料的過(guò)程中，復(fù)合材料的基體材料會(huì)吸收一定的水分量，造成使用過(guò)程中如遇到高溫聯(lián)合作用會(huì)降低復(fù)合材料的性能，通常對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)是在室溫大氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，所以復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度新規(guī)范著重強(qiáng)調(diào)【1】：如果全尺寸復(fù)合材料機(jī)構(gòu)在室溫環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，如小于或等于設(shè)計(jì)的極限載荷，結(jié)構(gòu)不能出現(xiàn)總體破壞，而且還應(yīng)保證結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力需與相應(yīng)部位結(jié)構(gòu)許用值/最嚴(yán)重吸濕量聯(lián)合試飛最高工作溫度的環(huán)境補(bǔ)償系數(shù)相等或比之小。
二、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度符合性檢驗(yàn)要求
?。?）驗(yàn)證靜強(qiáng)度需對(duì)潛在失效模式、臨界載荷工況等進(jìn)行充分考慮。
?。?）評(píng)估靜強(qiáng)度需將環(huán)境暴露、重復(fù)加載等造成材料性能退化的影響因素反映出來(lái)。
?。?）驗(yàn)證靜強(qiáng)度包括內(nèi)容：材料、工藝變化、環(huán)境、制造驗(yàn)收準(zhǔn)則、質(zhì)量控制不可檢測(cè)或允許的缺陷、維護(hù)產(chǎn)品的文件允許服役損傷影響等【2】。還需要依靠適合環(huán)境條件驗(yàn)證下一系列部件的載荷試驗(yàn)程序。
（4）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度驗(yàn)證中最高一層試驗(yàn)為全尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)。若要對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行考慮，需補(bǔ)充相關(guān)的試驗(yàn)內(nèi)容，變與將環(huán)境引起的破壞模式診斷出來(lái)。當(dāng)試驗(yàn)證明濕熱環(huán)境并不會(huì)造成新的危險(xiǎn)破壞模式時(shí)，才能在室溫大氣環(huán)境下對(duì)全尺寸結(jié)構(gòu)靜力（極限載荷狀況）進(jìn)行試驗(yàn)；若無(wú)法滿足破壞模式準(zhǔn)則，則需要采取一些措施確保條件滿足或在濕熱條件下進(jìn)行靜力試驗(yàn)。
?。?）依據(jù)試驗(yàn)分析將與其可見沖擊損傷（ BVID）結(jié)構(gòu)【3】可承受極限載荷進(jìn)行說(shuō)明。
三、舵面結(jié)構(gòu)有限元建模
1、結(jié)構(gòu)模型
某型飛機(jī)的方向舵為復(fù)合材料單梁式結(jié)構(gòu)，舵面約高3m，寬1.2m，主要元件為肋、端肋、調(diào)整片、后檣、前梁、操縱桿、蒙皮等。前梁和后墻構(gòu)成舵面縱向元件，前緣肋（9根）和盒段肋（7根）構(gòu)成了橫向元件。舵面后緣下端存在有調(diào)整片，與舵面后檣相連接，操縱通過(guò)操縱桿、調(diào)整片實(shí)現(xiàn)。采用膠接連接肋、梁和蒙皮，采用螺栓連接梁則和耳片等接頭。接頭耳片、操作桿等采用的是鋁合金制作，彈性模量和切變模量分別為70000M P a和27000M P a，泊松比為0.3。其他結(jié)構(gòu)材料全部應(yīng)用復(fù)合材料，調(diào)整片還應(yīng)用泡沫夾芯材料。利用 軟件構(gòu)件舵面有限分析，基本選用板單元，調(diào)整片選用六面體單元（8節(jié)點(diǎn)），操縱桿選用桿單元（2節(jié)點(diǎn)）。
2、連接、約束和載荷
采用幾何建模將蒙皮與肋、梁和肋間連接成一體。采用螺栓對(duì)梁和耳片接頭連接，采用雙支點(diǎn)鉸連接主舵面、調(diào)整片，通過(guò)設(shè)置多點(diǎn)模擬耳片連接、操縱桿真實(shí)結(jié)構(gòu)。通過(guò)選取調(diào)整片前梁26個(gè)自由且獨(dú)立的點(diǎn)，選擇主舵面后墻上26個(gè)相應(yīng)點(diǎn)形成依靠，實(shí)現(xiàn)模擬主舵面、調(diào)整片間的雙支點(diǎn)鉸鏈連接。設(shè)置耳片上螺栓孔圓周上節(jié)點(diǎn)為獨(dú)立點(diǎn)，設(shè)置梁上螺栓孔中心點(diǎn)為依靠點(diǎn)模擬梁的螺栓和耳片接頭連接情況。采用多點(diǎn)約束實(shí)現(xiàn)耳片和操縱桿之間的連接，相對(duì)情況下只有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。舵面需要有固定操縱桿位置和通過(guò)約束實(shí)現(xiàn)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩方面邊界約束。固定操縱桿位置只需將其另一端進(jìn)行固定即可；通過(guò)約束實(shí)現(xiàn)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)需要固定多點(diǎn)約束。先設(shè)置耳片孔中心點(diǎn)為獨(dú)立點(diǎn)，設(shè)置依靠點(diǎn)為耳片孔圓周上的系列點(diǎn)，成孔中心點(diǎn)函數(shù)則采用位移自由度表示。繼而利用單點(diǎn)約束，將三個(gè)孔中心點(diǎn)自由度分別進(jìn)行設(shè)置，確保僅在X方向存在轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。氣動(dòng)力是方向舵外載荷【4】，為便于將力在舵面分布情況模擬出來(lái)，需先把氣動(dòng)力進(jìn)行等效離散，使其分布于舵面關(guān)鍵點(diǎn)上，然后對(duì)周圍節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)約束，實(shí)現(xiàn)載荷分布的準(zhǔn)確模擬。
3、分析舵面主要元件強(qiáng)度
① 梁和肋均由緣條、腹板組成，梁和肋分別有4種、3種鋪層方式，只需對(duì)受力最大的2號(hào)盒段肋進(jìn)行強(qiáng)度校核，判斷蒙皮強(qiáng)度需依據(jù)蔡-吳準(zhǔn)則強(qiáng)度比方程，將前梁、2號(hào)盒段肋的各個(gè)鋪層Misse應(yīng)力最大對(duì)應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算出來(lái)。
?、?夾芯蒙皮的應(yīng)力相對(duì)較大，采用蔡-吳準(zhǔn)則強(qiáng)度比方程對(duì)夾芯蒙皮強(qiáng)度進(jìn)行判斷。通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，處于第一層的強(qiáng)度比相對(duì)最小，但依舊能夠符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，所以第2、3、4層的強(qiáng)度比也與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求相符，故整個(gè)蒙皮的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。
?、?最危險(xiǎn)的耳片危險(xiǎn)點(diǎn)在螺栓孔上，可以依照第三強(qiáng)度理論對(duì)平面應(yīng)力問(wèn)題進(jìn)行校核。由于通常情況下選取的鋁合金強(qiáng)度為 b=390MPa【5】，依據(jù)判據(jù)（ max<0.5 b），計(jì)算獲得為：214>195，這樣耳片的強(qiáng)度不足，極易造成裂紋，飛機(jī)結(jié)構(gòu)上不允許出現(xiàn)這樣的問(wèn)題，可以通過(guò)適當(dāng)將孔徑加大或?qū)㈤_口處局部厚度加厚的方式進(jìn)行改進(jìn)。
?、?操縱桿并無(wú)失穩(wěn)情況，只需要對(duì)軸向受力情況進(jìn)行考慮即可，需分別對(duì)調(diào)整片操縱桿、舵面操縱桿進(jìn)行比較分析。調(diào)整片操縱桿最大應(yīng)力為1.52MPa，具有較小的受力，強(qiáng)度符合；舵面操縱桿的最大應(yīng)力為64.8MPa，也與要求相符合。
四、總結(jié)
目前復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了飛機(jī)主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，更涌現(xiàn)出了更多的新工藝、新材料、新技術(shù)，現(xiàn)今復(fù)合材料的整體化結(jié)構(gòu)發(fā)展更趨向于低成本要求，必要會(huì)對(duì)強(qiáng)度提出更加嚴(yán)格的要求，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中需進(jìn)一步重視復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度問(wèn)題。
一般情況下，靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求原則大致無(wú)異于金屬結(jié)構(gòu)，但在使用基體材料的過(guò)程中，復(fù)合材料的基體材料會(huì)吸收一定的水分量，造成使用過(guò)程中如遇到高溫聯(lián)合作用會(huì)降低復(fù)合材料的性能，通常對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)是在室溫大氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，所以復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度新規(guī)范著重強(qiáng)調(diào)【1】：如果全尺寸復(fù)合材料機(jī)構(gòu)在室溫環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，如小于或等于設(shè)計(jì)的極限載荷，結(jié)構(gòu)不能出現(xiàn)總體破壞，而且還應(yīng)保證結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力需與相應(yīng)部位結(jié)構(gòu)許用值/最嚴(yán)重吸濕量聯(lián)合試飛最高工作溫度的環(huán)境補(bǔ)償系數(shù)相等或比之小。
二、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度符合性檢驗(yàn)要求
?。?）驗(yàn)證靜強(qiáng)度需對(duì)潛在失效模式、臨界載荷工況等進(jìn)行充分考慮。
?。?）評(píng)估靜強(qiáng)度需將環(huán)境暴露、重復(fù)加載等造成材料性能退化的影響因素反映出來(lái)。
?。?）驗(yàn)證靜強(qiáng)度包括內(nèi)容：材料、工藝變化、環(huán)境、制造驗(yàn)收準(zhǔn)則、質(zhì)量控制不可檢測(cè)或允許的缺陷、維護(hù)產(chǎn)品的文件允許服役損傷影響等【2】。還需要依靠適合環(huán)境條件驗(yàn)證下一系列部件的載荷試驗(yàn)程序。
（4）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度驗(yàn)證中最高一層試驗(yàn)為全尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)。若要對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行考慮，需補(bǔ)充相關(guān)的試驗(yàn)內(nèi)容，變與將環(huán)境引起的破壞模式診斷出來(lái)。當(dāng)試驗(yàn)證明濕熱環(huán)境并不會(huì)造成新的危險(xiǎn)破壞模式時(shí)，才能在室溫大氣環(huán)境下對(duì)全尺寸結(jié)構(gòu)靜力（極限載荷狀況）進(jìn)行試驗(yàn)；若無(wú)法滿足破壞模式準(zhǔn)則，則需要采取一些措施確保條件滿足或在濕熱條件下進(jìn)行靜力試驗(yàn)。
?。?）依據(jù)試驗(yàn)分析將與其可見沖擊損傷（ BVID）結(jié)構(gòu)【3】可承受極限載荷進(jìn)行說(shuō)明。
三、舵面結(jié)構(gòu)有限元建模
1、結(jié)構(gòu)模型
某型飛機(jī)的方向舵為復(fù)合材料單梁式結(jié)構(gòu)，舵面約高3m，寬1.2m，主要元件為肋、端肋、調(diào)整片、后檣、前梁、操縱桿、蒙皮等。前梁和后墻構(gòu)成舵面縱向元件，前緣肋（9根）和盒段肋（7根）構(gòu)成了橫向元件。舵面后緣下端存在有調(diào)整片，與舵面后檣相連接，操縱通過(guò)操縱桿、調(diào)整片實(shí)現(xiàn)。采用膠接連接肋、梁和蒙皮，采用螺栓連接梁則和耳片等接頭。接頭耳片、操作桿等采用的是鋁合金制作，彈性模量和切變模量分別為70000M P a和27000M P a，泊松比為0.3。其他結(jié)構(gòu)材料全部應(yīng)用復(fù)合材料，調(diào)整片還應(yīng)用泡沫夾芯材料。利用 軟件構(gòu)件舵面有限分析，基本選用板單元，調(diào)整片選用六面體單元（8節(jié)點(diǎn)），操縱桿選用桿單元（2節(jié)點(diǎn)）。
2、連接、約束和載荷
采用幾何建模將蒙皮與肋、梁和肋間連接成一體。采用螺栓對(duì)梁和耳片接頭連接，采用雙支點(diǎn)鉸連接主舵面、調(diào)整片，通過(guò)設(shè)置多點(diǎn)模擬耳片連接、操縱桿真實(shí)結(jié)構(gòu)。通過(guò)選取調(diào)整片前梁26個(gè)自由且獨(dú)立的點(diǎn)，選擇主舵面后墻上26個(gè)相應(yīng)點(diǎn)形成依靠，實(shí)現(xiàn)模擬主舵面、調(diào)整片間的雙支點(diǎn)鉸鏈連接。設(shè)置耳片上螺栓孔圓周上節(jié)點(diǎn)為獨(dú)立點(diǎn)，設(shè)置梁上螺栓孔中心點(diǎn)為依靠點(diǎn)模擬梁的螺栓和耳片接頭連接情況。采用多點(diǎn)約束實(shí)現(xiàn)耳片和操縱桿之間的連接，相對(duì)情況下只有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。舵面需要有固定操縱桿位置和通過(guò)約束實(shí)現(xiàn)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩方面邊界約束。固定操縱桿位置只需將其另一端進(jìn)行固定即可；通過(guò)約束實(shí)現(xiàn)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)需要固定多點(diǎn)約束。先設(shè)置耳片孔中心點(diǎn)為獨(dú)立點(diǎn)，設(shè)置依靠點(diǎn)為耳片孔圓周上的系列點(diǎn)，成孔中心點(diǎn)函數(shù)則采用位移自由度表示。繼而利用單點(diǎn)約束，將三個(gè)孔中心點(diǎn)自由度分別進(jìn)行設(shè)置，確保僅在X方向存在轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。氣動(dòng)力是方向舵外載荷【4】，為便于將力在舵面分布情況模擬出來(lái)，需先把氣動(dòng)力進(jìn)行等效離散，使其分布于舵面關(guān)鍵點(diǎn)上，然后對(duì)周圍節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)約束，實(shí)現(xiàn)載荷分布的準(zhǔn)確模擬。
3、分析舵面主要元件強(qiáng)度
① 梁和肋均由緣條、腹板組成，梁和肋分別有4種、3種鋪層方式，只需對(duì)受力最大的2號(hào)盒段肋進(jìn)行強(qiáng)度校核，判斷蒙皮強(qiáng)度需依據(jù)蔡-吳準(zhǔn)則強(qiáng)度比方程，將前梁、2號(hào)盒段肋的各個(gè)鋪層Misse應(yīng)力最大對(duì)應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算出來(lái)。
?、?夾芯蒙皮的應(yīng)力相對(duì)較大，采用蔡-吳準(zhǔn)則強(qiáng)度比方程對(duì)夾芯蒙皮強(qiáng)度進(jìn)行判斷。通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，處于第一層的強(qiáng)度比相對(duì)最小，但依舊能夠符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，所以第2、3、4層的強(qiáng)度比也與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求相符，故整個(gè)蒙皮的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。
?、?最危險(xiǎn)的耳片危險(xiǎn)點(diǎn)在螺栓孔上，可以依照第三強(qiáng)度理論對(duì)平面應(yīng)力問(wèn)題進(jìn)行校核。由于通常情況下選取的鋁合金強(qiáng)度為 b=390MPa【5】，依據(jù)判據(jù)（ max<0.5 b），計(jì)算獲得為：214>195，這樣耳片的強(qiáng)度不足，極易造成裂紋，飛機(jī)結(jié)構(gòu)上不允許出現(xiàn)這樣的問(wèn)題，可以通過(guò)適當(dāng)將孔徑加大或?qū)㈤_口處局部厚度加厚的方式進(jìn)行改進(jìn)。
?、?操縱桿并無(wú)失穩(wěn)情況，只需要對(duì)軸向受力情況進(jìn)行考慮即可，需分別對(duì)調(diào)整片操縱桿、舵面操縱桿進(jìn)行比較分析。調(diào)整片操縱桿最大應(yīng)力為1.52MPa，具有較小的受力，強(qiáng)度符合；舵面操縱桿的最大應(yīng)力為64.8MPa，也與要求相符合。
四、總結(jié)
目前復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了飛機(jī)主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，更涌現(xiàn)出了更多的新工藝、新材料、新技術(shù)，現(xiàn)今復(fù)合材料的整體化結(jié)構(gòu)發(fā)展更趨向于低成本要求，必要會(huì)對(duì)強(qiáng)度提出更加嚴(yán)格的要求，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中需進(jìn)一步重視復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度問(wèn)題。
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