飞机复合材料梁腹板开孔对承载能力的影响

王胜　何勇　张明辉

【摘 要】通过有限元分析和试验相结合的方式，对飞机复合材料梁腹板开孔对承载能力的影响进行了研究。试验结果与计算结果吻合。当开孔孔径与腹板宽度比不大于0.2时，开孔不需要补强；当孔径与腹板宽度比大于0.2后，开孔经过补强后，可以满足使用要求。

【关键词】有限元；试验；梁腹板开孔；承载能力

0 引言

由于复合材料轻质高性能的材料特点，近年来复合材料在民用飞机结构领域得到了广泛的应用，其中A350和B787两个机型尤为突出，复材结构使用率分别占到了全机的52%和50%。复合材料占飞机结构的比率逐步提高，正成为飞机结构采用最重要的材料之一[1]，本文以某型飞机舵面复合材料梁作为研究对象，研究复合材料梁腹板开孔对承载能力的影响。舵面对于飞机的操作稳定性起到至关重要的作用，作为舵面的主要结构件，梁以其腹板与蒙皮共同完成对于扭矩的传递，故梁腹板的剪切承载能力在飞机结构设计中很有必要。

1 试验件设计

在飞机结构中，为便于结构检查，舵梁腹板上开有Φ25mm检查孔，该孔孔径已接近升降舵梁高度的1/3，但未超过方向舵对梁梁高度的1/3，因此考核开孔对梁腹板剪切承载能力的影响时需对升降舵梁腹板上的开孔需要补强[2]，而方向舵梁腹板上的开孔则没有补强。在方案设计的初步阶段，梁腹板厚度尚不能完全确定，因此在试验方案中梁腹板规划了两种厚度，这两种厚度有可能应用于实际的结构中。

梁结构选型试验包括8组，每组4件共32件试验件。试验考核部位为操悬挂接头和操纵接头之间的梁腹板。试验件设计为I型梁，考核区位于梁腹板中间部分。考核区厚度设计为2.16mm和2.592mm，对应的铺层顺序分别为[±45/（0，90）2/±45/（0，90）]s和[（±45）2/（0，90）2/±45/（0，90）]s：与真实结构趋于一致。非考核区对应的铺层顺序为[（±45）2/（0，90）2/±45/（±45/（0，90））2]s考虑到试验夹持及其他因素设计的需要，梁腹板剪切稳定性试验的试验件尺寸参数和梁结构选型试验试验件规划见表1。

3 试验结果

3.1 加载方式

按照悬臂梁的理论，悬臂梁的梁缘条承受拉压载荷，腹板承受剪载，试验方应采取必要措施确保粱缘条有足够的强度，以保证梁缘条不会先于腹板失稳。试验加载示意图见图2。试验件根部用夹具夹持固定在承力墙上，另一端通过接头与液压作动筒连接，施加集中载荷，并在两侧施加约束，以保证载荷作用点通过试验件的截面形心。试验结果如下表3所示。

4 计算结果与试验结果对比分析

经过上述计算结果与试验结果对比分析得到，试件屈曲载荷的计算结果与试验结果最大误差为05组试件，误差值为7.71%，03组试件为最小误差组，误差值为3.3%。

5 结论

a）分析方法准确、有效；误差小于10%，可以满足型号设计要求；

b）开孔不补强比不开孔，屈曲载荷下降，破坏载荷下降；当孔径较零件宽度比小于0.2时不需要补强，反之视结构重要程度进行补强；

c）开孔补强比不开孔，屈曲载荷提高，破坏载荷下降；开孔补强后满足使用要求。

【参考文献】

[1]杨乃宾，章怡宁.复合材料飞机结构设计[M].北京：航空工业出版社.

[2]沈真，章怡宁，李新祥.复合材料结构设计手册[M].北京：航空工业出版社.

[责任编辑：汤静]