飞机机翼翼梁的结构分析和修理设计
目录
1引言 (8)
2飞机翼梁的结构分析 (8)
2.1翼梁的结构组成
8
2.1.1翼梁缘条
10
2.1.2翼梁腹板
10
2.2翼梁的受载特点
10
2.3翼梁的布置
11
3故障诊断 (12)
3.1超声波探伤
12
3.1.1超声波探伤设备
12
3.1.2超声波探伤的工作原理 (12)
4故障修理 (13)
4.1翼梁缘条的修理
13
4.1.1缺口的修理
13
4.1.2裂纹的修理
14
4.1.3断裂的修理
15
4.2翼梁腹板的修理
19
4.2.1裂纹的修理
19
4.2.2破孔的修理
20
4.2.3切割的修理
21
5校核强度 (22)
5.1梁缘条修理时的强度计算
22
5.2 腹板修理时的强度计算 (25)
结束语 (26)
参考文献 (27)
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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飞机机翼翼梁的结构分析和修理
【摘要】
本论文主要阐述了飞机翼梁的组成结构及修理方法，其中还包括翼梁的受载特点、翼梁的布置，超声波无损探伤所需设备与工作原理以及校核强度。从而在翼梁出现故障后，能按照适当的修理方法，准确无误地对结构进行修理，以保证翼梁能在飞机上发挥其应有的独特性能。
关键词翼梁维修超声波铆接
【Abstract】
This paper describes the main beam of the structure of the aircraft wing and repair methods, which also includes wing loaded beam characteristics, spar layout, ultrasonic nondestructive testing equipment and the necessary works, as well as checking intensity. Thus spar failure after the repair methods in accordance with appropriate, accurate structural repairs to ensure that the aircraft wing beams can play a unique performance of its due.
Keywords Spar Maintenance Ultrasound Riveting
1引言
与漫长的人类文明史相比，200余年的航空发展史只能算是历史长河中短暂的一瞬。人类实现了飞行的愿望，是20世纪最伟大的科技成就之一，而且只有很少几项科学技术成果能与之媲美。飞机是一个庞大而复杂的，驶离地面的飞行器系统，是人类制造的最复杂的产品之一。飞行自诞生以来，结构形式在不断变化，但到目前为止，除了极少数特殊形式的飞机之外，大多数飞机都是由机翼、尾翼、机身、起落架、操纵系统、动力装置和机载设备等几个部分组成。
机翼的主要功用是产生升力，以支持飞机在空中飞行，它还起一定的稳定和操纵作用。通常在机翼上还装有副翼、襟翼、起落架、武器及副油箱等。机翼构件包括蒙皮，骨架（包括翼梁、桁条、纵墙、普通翼肋和加强翼肋）及与机身相连接的接头。在飞机机翼中，翼梁是最主要的受力构件之一，一般由缘条和腹板等组成。主要功用是承受弯矩和剪力。梁的上下缘条承受由弯矩引起的轴向力。剪力则主要由腹板承受。
2飞机翼梁的结构分析
2.1 翼梁的结构组成
翼梁一般由梁的腹板和缘条（或称凸缘）组成。翼梁是单纯的受力件，主要承受剪力和弯矩。在有的结构形式中，它是机翼主要的纵向受力件，承受机翼的全部或大部分弯矩，翼梁大多根部与机身固接。翼梁的构造形式主要有组合式（图1-a）、构架式（图1-b）和整体锻造式（图1-c）。其中，组合式翼梁和整体锻造式翼梁统称为腹板式翼梁。现代飞机上普遍采用的是腹板式翼梁。它构造简单，受力特性好，同时还可以作为整体油箱的一块隔板来使用。构架式翼梁则构件多，制造复杂，没有或只有很少的超静定度，安全性低，又不能构成整体油箱，现已很少采用。本文仅就腹板式翼梁作以较为详细的阐述。
（a）腹板（组合）式翼梁
（b）构架式翼梁
（c）整体式翼梁
图 1 翼梁的构造形式
（a）腹板（组合）式翼梁：1—上缘条；2—腹板；3—下缘条；4—支柱
（b）构架式翼梁：1—上缘条；2—下缘条；3—斜支柱；4—直支柱
（c）整体式翼梁：1—机翼与机身接头的耳片；2—锉修垫板；3—固定座
2.1.1 翼梁缘条
翼梁的缘条由高强度钢或铝合金制造，经常采用开剖面、厚壁、挤压型材。在选择缘条截面形状时，要遵照制造简便、便于沿翼展长度保持翼型、便于蒙皮与腹板固定的原则。按宽度方向伸展的缘条截面形状，不仅有助于增大翼梁的惯性矩，而且还可降低用于承受轴向力的缘条所需面积，从而减小翼梁的质量。又由于存在缘条上的弯边，所以蒙皮与腹板和缘条的固接得到了简化，从而使孔造成的截面损失较小。
2.1.2 翼梁腹板
翼梁腹板由板材制成。薄腹板有时用角形截面的型材加强支持，以便把腹板分成单个的壁板，从而提高相对厚度。起支持作用的角形截面型材和翼肋腹板弯边，用来把翼肋固定在翼梁腹板上。腹板可以制成波纹板或三层板的形式。在翼梁结构中可能是一块，也有可能是两块腹板，两块腹板能够保证更大的生存性（如果其中每一块都保证承受通过翼梁腹板的载荷），此外，分置的腹板与缘条在形成闭室的同时，也使翼梁产生抗扭刚度。
2.2 翼梁的受载特点
当空气动力载荷传递到机翼上后，蒙皮受载并把此载荷传递到翼肋和桁条上，桁条受蒙皮加载并把此载荷传递到翼肋上，翼肋由蒙皮和桁条加载并将此载荷分配到翼梁腹板上，由翼肋传递到翼梁腹板上的剪流，在翼梁腹板上产生沿翼梁长度的阶梯式累积剪力。图2(a)所示为前（第1）梁腹板的受载情况，后（第2）梁也是如此。梁腹板接受从翼肋传来的剪力i i i i H Q q q 111'1?=?-=和i i i i H Q q q 222'2?=?-=，该力和翼梁与机身隔框固定接头上的反力平衡。
如图2（a~c ）所示为腹板的受载和宽度为z ?的一个小单元翼梁腹板的受力平衡状况。沿这个单元的右边缘作用一个从翼梢到翼根方向累积的剪流'1i q ?，左边缘上将作用有同样的剪流'1i q ?（因为Z ?值很小），但方向相反。腹板单元在这两个剪流的作用下不能平衡。为了让其平衡，连接上下缘条的铆钉应向腹板提供剪流f q 。
由腹板单元的平衡条件可知f q =i q 1?，并且，在这些载荷作用下翼梁腹板受
剪，翼梁缘条上的铆钉受水平方向的剪切。
通过连接缘条和腹板的铆钉，使缘条内产生轴向力f s ，它沿机翼向根部累积，在翼根剖面处与前后梁固定接头的支反力1s 和2s 平衡，如图2（d 、e ）。
翼梁腹板传递到缘条上的剪流在向机翼根部累积的过程中，使壁板受到轴向载荷，壁板也以此形式承受弯矩。此时轴向载荷在纵向构件（翼梁缘条和壁板）之间按抗弯刚度分配。
图 2 翼梁腹板和缘条
（机翼壁板）受载图
2.3 翼梁的布置
翼梁应尽可能布置在剖面高度较大的部位，同时轴线尽量不要转折，以便传力直接、连续，这样对结构的强度、刚度有利，可减轻结构重量。一旦有转折，必须布置另一构件（如另一梁或加强肋）来承受由此出现的弯矩分量。其次翼梁沿展向最好按弦长的等百分比线布置，否则缘条表面可能为双曲面，给工艺带来困难。然而实际情况是，翼梁的布置很大程度上容易受机翼平面布局和内部装载的影响，如前、后梁一般应照顾前、后缘的襟翼、缝翼、副翼等增升装置，另由于内部空间的需要，例如为了安置起落架，为扩大翼盒空间以增大整体油箱容积或增大扭转刚度，一般难以将翼梁布置在机翼剖面的最大高度处，有时还可能向前或向后转折。
3故障诊断
检查构件裂纹有两种方法：一种是用放大镜进行目视检查，这种方法的优点是简单方便，随时随地可以检查，而且不受被检测材料的限制。另一只共检测方法是使用专门的探伤设备进行无损检测，它包括射线检测、超声波检测等。
3.1 超声波探伤
超声波是频率大于20000Hz的机械波，超声波探伤是利用超声波在不同介质中的传播、反射和衰减等物理特性的不同来发现缺陷的一种探伤方法，又称超声波检验，主要用于工件内部缺陷的检验。超声波探伤具有穿透力强、无污染、效率高、成本低等优点。
3.1.1超声波探伤设备
超声波设备主要包括超声波探伤仪和探头。
超声波探伤仪的主要功能是产生与超声波频率相同的电震荡，激励探头发生超声波。同时，它又将探头接收到的回波转换成电信号并予以放大、处理，再以一定方式在示波屏上显示出来。
超声波探头又称电压超声换能器，是实现电—生能量相互转换的能量转换器件。常用的探头有直探头、斜探头和表面探头等。主要由保护膜、压电晶片和吸收块等组成。其中，压电晶片是由单晶（石英、硫酸锂和碘酸锂等）或多晶（钛酸钡等）材料切割成薄片而制成。晶片两表面敷有银层作电极，“-”极引出的导线接发射端，“+”极接地。吸收块的作用是吸收杂波，并使晶片在激励电脉结束后将声能很快损耗而停止振动，以便接收反射声波。保护膜可使压晶片免于和工件直接接触磨损，匹配电感可使探头与超声波探伤仪的发射电路匹配，以提高发射效率。
当高频电压加于晶片两面电极上时，由于逆压电效应，晶片会在厚度方面方向产生伸缩变形的机械振动。如果晶片于工件表面良好耦合时，机械振动就以超声波形式传播进去，即发射超声波。反之，当晶片受到超声波作用而发生伸缩变形时，正电效应又会使晶片两表面产生不同极性电荷，形成超声频率的高频电压，即接收超声波。因此，一个探头即可用于单独发射超声波或接收超声波，也可同时兼有发射和接收超声波的功能。
3.1.2超声波探伤的工作原理
超声波探伤仪由触发电路、时基电路、发射电路、接收电路和显示器等部分组成。工作时，触发电路发出电脉冲。时基电路产生锯齿电压，在荧光屏的横坐标（X1-X2）上产生一条相当于时间坐标的水平扫横线。发射电路产生调频脉冲电压，加在发射探头上。探头将电波转变成超声波，并传入工件中。超声波经缺陷或工件底面反射后，传回接收探头，探头再将超声波转变为电波，
经接收电路检波、放大后，在荧光屏的纵坐标(Y1-Y2)上显示出来。荧光屏上T 波为反射波，F波为缺陷波，B波为底波。各脉冲波的高度与接收到的超声波的能量成正比。显然，T波最高，而F波河B伯最低。根据F波在横坐标上的位置，可以对缺陷的深度定位。根据F波德高度，可以估计缺陷的大小。如果缺陷在垂直于超声波传递的方向上面积比较大，则荧光屏上没有B波出现。如果缺陷方向与超声波传递方向平行，则对此缺陷探测的灵敏度大大降低。因此，对同一工件的同一部位，有时需要从不同方向多次探测，或利用两个或多个探头从不同方向进行探测。
4故障修理
4.1 翼梁缘条的修理
翼梁缘条的损伤类型主要有缺口、裂纹和断裂等。修理时，应根据损伤的实际情况，采用不同的修理方法。
4.1.1缺口的修理
翼梁缘条边缘产生缺口时，需根据缺口宽度的大小(沿构件的截面测量)，采用不同的修理方法。宽度较窄的缺口(一般小于5mm)，只需将缺口锉修成光滑的弧形，用砂纸打光后涂上底漆即可。锉修后的弧形应当符合图4所示的要求。当缺口宽度较宽时，需把缺口切割整齐，用填片填上缺口，并铆上加强片，如图5所示。加强片的材料和厚度应与原构件相同，宽度则比缺口的宽度稍大。
图4 缺口锉修法
图5 缺口的修理
4.1.2裂纹的修理
翼梁缘条在使用过程中出现裂纹，说明构件在该处承担的载荷过大，需根据裂纹的长短(沿构件截面的方向)采用不同的修理方法。当构件边缘出现长度不超过2mm的裂纹时，可采用锉修法修理；当裂纹长度大于2mm，但小于构件一边宽度的2／3时，可在裂纹末端钻直径为2～2．5mm的止裂孔，再用加强片加强，如图6所示；当裂纹的长度超过构件一边宽度的2／3时，在裂纹末端钻止裂孔后，用与构件相同的型材进行加强，如图7所示。
图6 加强片加强
图7 加强型材加强
4.1.3断裂的修理
翼梁缘条断裂后，如果断裂的构件便于整根取下，可采用更换的方法进行修理。即取下断裂构件，用材料相同、规格相等的型材，制作新构件，按原孔铆接。
如果断裂的构件不便于整根取下，修理时，首先将构件的断裂部分切割整
齐，用与切割部位相适应的填补型材填平切割处，然后铆接一条接补型材，将
断裂的构件重新连接成一体，如图8所示。这样，在断裂处作用于构件一端的
载荷，即可通过接补型材，传至构件的另一端，使断裂构件的强度得到恢复。
这种修理方法，通常称为接补修理。
图8 断裂构件的接补
接补修理的要求是：在恢复构件抗拉和抗压强度的前提下，尽可能减轻构件的重量，并力求施工方便。接补修理的工艺过程，主要包括构件损伤部位的切割、接补型材的选择和安装，以及接补型材的铆接。
(1)损伤部位的切割
切割损伤构件时，切割线应超出损伤范围5 mm，并且切割线应与构件垂直。切割后，用锉刀锉平切割缝，并涂刷防锈底漆。若结构中有几根构件同时断裂，需事先用托架将损伤部件托住，再进行切割。切割时，必须使各构件的切割缝彼此错开，不要在结构的同一截面上，以防止结构接补后，在该截面处的面积突然增大，引起应力集中，降低结构的强度。一般切割缝错开的距离尽量大于l00mm。
(2)接补型材的选择
接补型材通常选择与构件材料相同、截面积相等的型材。如果没有同样的
)和弹性系数(E)要型材，也可以用其它型材代替。但代用型材的抗拉强度(
b
大于或等于构件材料的抗拉强度和弹性系数。不同构件材料的代用材料见表1。
表1 代用材料表
构件材料代用材料
30CrMnSiA
LC4、LYl2,45
LC4，IYl245
代用型材的截面形状应与损伤构件的截面形状相同。
(3)接补型材的安装
接补型材的安装方法通常有三种：一种是接补型材安装在构件的外侧，简称外侧接补；一种是接补型材安装在构件的内侧，简称内侧接补；一种是接补型材安装在构件的两侧，简称两侧接补，如图9所示。
构件不论用哪种接补方法，施工时，应将接补型材的两端削斜(一般为45°)，如图10(a)所示。采用内侧和两侧接补时，应将接补型材外棱角倒角，以保证接补型材与构件贴合紧密，同时，两侧接补时，还要使两根接补型材的端面彼此错开，不要在同一截面上，见图10(b)，这与切割面要彼此错开的道理是一样的。
接补型材的三种安装方法各有其优缺点。外侧接补与内侧接补、两侧接补相比，操作比较简单，但是，外侧接补其接补型材的截面重心和构件的截面重心之间的距离较大(如图11中的e)，接补后的构件在传递载荷时，由于作用在构件和接补型材上的力(P)都将分别通过它们各自的截面重心，这样一来，作用在构件和接补型材上的载荷不在一条直线上，因而出现一个偏弯矩(e
p )。这个偏弯矩，对受拉的构件来说影响不大，对受压的构件来说，容易使构件失去稳定，产生纵向弯曲。由此可见，外侧接补的特点是施工比较简单，但使构件受压的稳定性变差。
图9 接补型材的安装
图10 接补型材的两端削斜和端面错开
图11 构件外侧接补后的受力情形
内侧接补和两侧接补，施工虽然比外侧接补复杂，但接补型材的截面重心和构件的截面重心之间的距离较小，构件受力时产生的偏弯矩也较小，因此，受压构件接补后不易失去稳定性，这就是内侧接补和两侧接补的特点。所以，修理时应根据损伤构件的受力特点、截面形式和安装位置等特点来合理地选择接补方法。
(4)钻孔铆接
为了保证翼梁缘条修理后具有应有的强度，一般规定，钻孔使构件强度削弱的程度，不得超过构件原来强度的8％～l0％。但是翼梁缘条的宽度较窄，截面面积较小，即使在截面上多增加一个铆孔，也容易超过规定，因此，修理时应尽量利用构件原来的铆孔，不钻或少钻新孔。如果需要钻制新孔，新孔的位置必须与原孔错开，不要在构件的同一截面上。钻好孔后，将填补型材安装在损伤部位，先把接补型材铆在构件上，再将填补型材铆在接补型材上。
4.2 翼梁腹板的修理
腹板由薄板制成，通常用螺栓或铆钉与缘条连接，承受剪力。腹板可能产生典型的损伤为破孔、裂纹等。修理时，必须根据腹板损伤的轻重程度，损伤的具体部位，采用不同的修理方法。
4.2.1裂纹的修理
裂纹通常出现在工艺孔或紧固件孔边。修理时，在裂纹端头钻止裂孔，用与腹板同材料同厚度的板材加强。加强片的尺寸根据铆钉的数量和布置确定。当加强片与缘条连接时，紧固件要加大一级；当修理结构油箱处的翼梁腹板时，加强片与腹板贴合面要涂胶，紧固件也要浸密封胶安装，并且还要在加强片周围涂密封胶。另外，加强片安装前表面要喷漆。
4.2.2破孔的修理
（1）锉修法
锉修法就是将腹板上的破孔锉修成光滑的圆孔或椭圆孔。锉修后，在孔的四周涂上油漆，以防腐蚀。锉修法不能恢复腹板损失的强度，因此，这种方法的使用有以下限制：
a.只适用于修理直径较小的破孔。一般规定，破孔的直径应小于40mm。
b.锉修后的圆孔或椭圆孔，其边缘与其它孔边缘的距离不宜过小。因为距离过小，腹板受剪力时容易在该部位失稳而产生变形。为此，通常规定，破孔边缘与附近其它孔的边缘距离不得少于40mm。
c.用锉修法修出的圆孔或椭圆孔，其边缘与缘条的距离不宜过小。因为缘条受拉或受压时，容易使腹板失稳而变形。因此，通常规定，破孔边缘与缘条的距离也不得少于40mm。以上限制如图12。
图12 腹板锉修的规定
（2）盖板补法
盖板补法如图13所示，将腹板上破孔切割、锉修成规则形状后，铆上一块与腹板材料相同、厚度相等的盖板，以弥补腹板损伤处的强度。
图13 盖板补法
大型飞机复合材料机身结构设计 李晓乐 （北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100083） 摘要：本文研究了复合材料在大型飞机机身上的应用。利用相关机身结构数据，进行了结构形式的分析和选 择。参照有关规定，针对所设计的飞机机身在气密载荷作用下的情况进行了强度分析，并用这些分析结果来指 导复合材料的结构设计。复合材料选择为层合结构。并依据层合复合材料的特性，进行了层合板的铺层角度设 计和铺层顺序设计。对所设计的大型飞机复合材料机身结构进行了刚度分析，给出了主要构件的应力、应变结 果，证明了这种层合复合材料设计是合理可行的，为复合材料在我国大飞机项目上的应用提供了参考。 关键词：复合材料；大型飞机；机身结构；刚度 The Structural Design of Composites of Large Airplane Fuselage LI Xiaole (School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100083, China) Abstract: This paper discusses the application of composite material in the large airplane fuselage. The concrete form of fuselage was analyzed and determined, which based on the data of some existing fuselage structure. Compared with some standard, the strength of the fuselage was analyzed under the pressure load. The result can conduct the structures design. The laminate of composites was chosen. The degree and the order of composite were also determined. The stiffness of the designed composite fuselage was computed, which also showed the result of strain and stress. Analysis manifested that the composites is designed appropriately, and the result can be consulted in the large-aircraft program. Keywords: Composites, Large Airplane, Fuselage Structure, Stiffness 机身是飞机的重要部件之一，它把机翼、尾翼、起落架等部件连接在一起，形成一架完整的飞机。对大型民用飞机来说，机身还能安置空勤组人员、旅客、装载燃油、设备和货物。现代飞机的机身是一种加强的壳体，这种壳体的设计通常称为“半硬壳式设计”。为了防止蒙皮在受压和受剪时失稳，就需要安装隔框、桁条等加强构件[1~2]。 随着时代的发展，复合材料在飞机设计中的用量越来越大，除了以前的非承力构件，现在主承力构件上也开始采用大量的复合材料设计。但到现在为止，虽然复合材料的用量有了相应的增加，可飞机机身仍然是有金属参加的[1]。 本文针对机身所承受的载荷，确定飞机机身的整体刚度、强度。然后以刚度、强度为基准，设计复合材料的结构形式，并对这种形式的机身进行初步的性能计算，旨在为复合材料在我国大飞机项目上的应用提供一些参考。 1 机身结构设计 作者介绍:李晓乐(1985-), 男, 硕士研究生. ft4331789@https://www.doczj.com/doc/9617240759.html,
新视点 NEW VIEWPOINT 64航空制造技术２００６年第３期 目前，复合材料在飞机上的应用已非常广泛，但在２０世纪９０年代初复合材料市场曾一度陷入低靡，究其原因是由于复合材料设计制造的复杂性造成了成本壁垒，人们开始认识到只有重视性能和成本的平衡，才能使复合材料展现辉煌。随着复合材料先进技术的成熟，使其性能最优和低成本成为可能，大大推动了复合材料在飞机上的广泛应用。本文在介绍国外复合材料在飞机上广泛应用的基础 上，对作为技术保障的数字化设计技术和先进制造技术进行了分析研究。从国外情况看，各种先进的飞机都与复合材料的应用密不可分，复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。下面介绍复合材料在飞机上应用的发展趋势。 （１） 复合材料在飞机上的用量日益增多。 复合材料在飞机上 的应用评述 北京航空航天大学机械工程及自动化学院 张丽华 范玉青 复合材料用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比表示，纵观复合材料在民机上的发展情况发现，无论是波音公司还是空中客车公司，随着时间推移，复合材料的用量都呈增长趋势。最具代表意义的是空客公司的Ａ３８０客机和波音公司最新推出的７８７客机。在Ａ３８０上仅碳纤维复合材料的用量就达３２ｔ左右，占结构总重的１５％，再加上其他种类的复合材料，估计其总用量可达２５％左右。７８７ 上初步估计复合材料用量可达５０％，远远超过了Ａ３８０。另外，复合材料 在军机和直升机上的用量也有同样的 增长趋势。（２） 应用部位由次承力结构向主承力结构过渡。 飞机上最初采用复合材料的部位有舱门、整流罩、安定面等次承力结 构，目前已广泛应用于机翼、机身等部位，向主承力结构过渡。从１９８２年开始用复合材料制造飞行操纵面（如Ａ３１０－２００飞机的升降舵和方向舵），空客公司在主承力结构上使用复合材 料已有２０多年的经验。在Ａ３８０上采用的碳纤维复合材料大型构件主要有中央翼盒、翼肋、机身上蒙皮壁板、机身后段、机身尾段、地板梁、后承压框、垂尾等，大量的主承力结构都采用了复合材料。７８７复合材料的应用则更让世人瞩目，其机身和机翼部位采用碳纤维增强层合板结构代替铝合金；发动机短舱、水平尾翼和垂直尾翼、舵面、翼尖等部位采用碳纤维增强夹芯板结构；机身与机翼衔接处的整流蒙皮采用玻璃纤维增强复合材料。与Ａ３８０相比其用量更大，主承载部位的应用更加广泛，这将是世界上采用复合材料最多的大型商用喷气客机。 （３） 复合材料在复杂曲面构件上的应用越来越多。 飞机上复杂曲面零件很多，复合材料的应用也越来越多，比如Ａ３８０机身１９段、１９．１段和球面后压力隔框等均为采用复合材料的具有复杂曲 复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一；复合材料构件的整体成型、共固化技术不断进展，复杂曲面构件不断扩大应用；复合材料的数字化设计，设计、制造一体化，以及基于三维模型铺层展开的专用设计／制造软件等技术的开发是先进复合材料发展的基本技术保障 复合材料在飞机上的应用
常见飞机蜂窝板损伤形式及修理方法 航空器复合材料中的蜂窝板是由薄而强的两层面板中间胶接蜂窝材料而成的一种新型复合材料，也称蜂窝层合结构(见图1)。其面板选材有金属板、玻璃纤维、石英纤维、碳纤维等；夹心材料主要有芳纶、玻璃纤维、铝合金及发泡型结构。蜂窝可制成不同的形状。飞机上的蜂窝结构是由耐腐蚀夹心、面板、衬垫、隔板（假梁）、边肋等零件胶合而成。面板与夹芯之间用胶膜胶接，蜂窝夹芯用芯子胶和耐腐蚀胶根据实际需要形状施加真空压力后加温胶接成型。 图1 蜂窝夹心板结构 一、航空复合材料蜂窝结构损伤种类 根据航空复合材料蜂窝结构部件在使用过程中可能出现损伤的情况，我们可以大致将胶接蜂窝结构部件的损伤分以下5类： 1、表面损伤 图2 典型表面凹坑 此类损伤一般通过目视检查发现，包括表面擦伤、划伤、局部轻微腐蚀、表面蒙皮裂纹、表面小凹坑和局部轻微压陷等。这类损伤一般对结构强度不产生明显的削弱。 2、脱胶及分层损伤
该损伤是指纤维层与层之间或面板与夹芯之间的树脂失效缺陷，主要通过敲击检查、超声波检测等手段发现。此类损伤一般不引起结构外观变化，大多是在生产过程中造成的初始缺陷，并在反复使用过程中缺陷不断扩展而导致的。脱胶或分层面积过大会引起整体复合材料强度的削弱，应及时予以修补。 3、单侧面板损伤 这类损伤包括单侧面板局部压陷、破裂或穿孔，一般通过目视检查即可发现。该类型损伤能使一侧面板和蜂窝夹芯都受到损伤（表面塌陷），对气动性能和结构强度影响较大。一旦发现该类损伤必须经过修理和检验确认后方能能重新使用。 4、穿透损伤 该类型损伤是指蜂窝部件出现穿透性损伤、严重压陷和较大范围的残缺损伤等。此类损伤对结构性能和强度有严重的影响，根据受损情况立即予以修理或按需更换新件。 5、内部积水 该损伤原因主要由于蜂窝结构边缘或蜂窝材料对接边缘密封不严或密封失效，在长期使用过程中由于雨水渗透、油液浸泡以及水汽冷凝而造成蜂窝夹芯出现积水。虽然一般情况蜂窝内部积水不会造成严重影响；但在冬季日夜气温变化较大的情况下，由于积液结冰膨胀将会会造成复合材料部件内部树脂基体脱胶；同时在积液的长期浸泡下也会使复合材料的树脂基体的胶接强度大幅降低而降低部件的整体性能；特别是各类复合材料制备的舵面、襟翼、翼身整流罩及发动机部件等，均应及时检查其内部蜂窝结构的积水情况并作出相应修理措施。目前该类损伤主要通过红外热成像、X-射线检测仪等手段进行检测。 二、蜂窝结构的检查方式 1、目视检查 目视检查法是使用最广泛、最直接的无损检测方法。主要借助放大镜和内窥镜观测结构表面和内部可达区域的表面，观察明显的结构变形、变色、断裂、螺钉松动等结构异常。它可以检查表面划伤、裂纹、起泡、起皱、凹痕等缺陷；尤其对透光的玻璃钢产品，可用透射光检查出内部的某些缺陷和定位，如夹杂、气泡、搭接的部位和宽度、蜂窝芯的位置和状态、镶嵌件的位置等。 2、手锤敲击法 用于单层蒙皮蜂窝结构。用手锤敲击蜂窝结构的蒙皮，根据不同的声响来判断蜂窝结构是否脱胶。敲击时，注意锤头与蒙皮垂直，力度适当，以能判断故障不损坏蒙皮表面为宜。为使判断准确，可先在试件上试验。敲击回声清脆是良好，沉闷是脱粘。 3、外场在位检测的便携式相控阵超声波C扫描检测系统
中国民航大学2017年硕士研究生《飞机结构与强度》考试大纲（原科目名称为《飞机结构力学》代码821） 科目代码：821 适用专业：见当年招生专业目录 一、课程简介 “飞机结构与强度”课程旨在重点培养学生的综合分析问题、解决问题的能力和工程应用能力，使学生为专业课学习做好扎实宽厚的理论准备，同时也为毕业生从事民航领域飞机结构维护和深度维修等工作或继续深造提供必要的理论基础。 “飞机结构与强度”课程包括飞机结构力学和飞机结构强度两方面的教学内容。 飞机结构力学从力学的角度来讲授飞机结构的组成规律，飞机结构在载荷作用下的强度、刚度、稳定性的计算方法，并为飞机结构的受力分析和强度计算提供必要的基础理论知识。要求学生能够正确运用所学知识进行飞机结构强度、刚度、稳定性分析计算。 飞机结构强度通过学生对飞机结构在使用中承受的载荷、载荷传递路线及飞机结构在载荷作用下的强度、刚度、稳定性等力学性能的系统学习，使学生掌握有关飞机结构强度计算的基本概念、飞机结构的传力分析、飞机结构在载荷作用下、内力计算的基本原理和基本方法、以及飞机构件的破坏形式和强度校核方法。 二、课程内容 第1章绪论 1.1飞机结构与强度的任务 1.2飞机结构形式的发展 1.3飞机结构力学的研究对象 1.4飞机结构力学研究的基本原则和基本假设重点：典型飞机结构元件的功用难点：飞机结构的计算模型 第2章能量原理基础 2.1弹性力学问题及基本方程 2.2功和能的概念 2.3广义力和广义位移 2.4虚功原理 2.5余虚功原理 2.6叠加原理和位移互等定理重点：广义力和广义位移难点：余虚功原理，功和能的计算 第3章结构组成分析 3.1结构组成分析的任务 3.2结构组成分析方法 3.3桁架结构的组成 3.4刚架结构的组成 3.5薄壁结构的组成重点：常见飞机结构系统的几何组成分析 第4章静定结构内力与变形 4.1静定结构的特性 4.2静定杆系结构内力 4.3静定薄壁结构内力 4.4计算结构变形的意义 4.5单位载荷法重点：静定结构内力计算的基本原理和基本方法，静定结构变形计算的单位载荷法
目录 复合材料 (2) 1. 复合材料特点 (2) 1.1 复合材料的应用 (2) 1.2 设计规范的演变 (2) 1.3 复合材料适航验证试验程序 (3) 1.4 碳纤维树脂基复合材料优点 (3) 1.5 碳纤维树脂基复合材料缺点： (4) 2. 材料种类 (4) 2.1 树脂基体 (4) 2.1.1 热塑性复合材料 (4) 2.1.2 热固性复合材料 (5) 2.1.3 树脂材料性能对比 (5) 2.2 增强纤维 (6) 2.2.1 碳纤维 (6) 2.2.2 玻璃纤维 (7) 2.2.3 芳纶纤维 (7) 2.2.4 材料性能对比 (7) 2.3 预浸料 (7) 2.4 芯材 (8) 2.4.1 蜂窝芯 (8) 2.4.2 泡沫芯 (8) 2.5 胶粘剂 (9) 3. 复合材料试验验证步骤 (9) 4. 复合材料结构设计 (9) 4.1 复合材料设计基本要求 (9) 4.2 设计选材 (9) 4.2.1 设计选材需求 (9) 4.2.2 夹层结构的选材 (10) 4.3 层压板设计 (10) 4.3.1 铺层方向和比例 (10) 4.3.2 铺层设计 (10) 4.3.3 丢层要求 (10) 4.3.4 拼接 (11) 4.3.5 开口设计要求 (11) 4.4 夹层结构设计 (11) 4.4.1 制造方法 (11) 4.4.2 面板设计准则 (11) 4.4.3 芯材 (12) 4.5 细节设计 (12) 4.6 复合材料设计优化 (12) 4.7 复合材料连接 (13) 4.7.1 胶接结构 (13) 4.8 垂尾复合材料结构设计 (14)
4.9 复合材料检测 (14) 5. 复合材料制造 (14) 5.1 复合材料的成型方法和特点 (14) 5.2 成型工艺过程 (15) 5.2.1 热压罐工艺 (16) 5.2.2 RTM工艺 (16) 5.2.3 机加工艺 (16) 5.3 制造缺陷 (16) 复合材料 1.复合材料特点 复合材料主要由基体和增强材料组成。非金属基体包括树脂、陶瓷等，增强材料包括碳纤维、芳纶、玻璃纤维等。应用最多的是树脂基碳纤维复合材料，其次是芳纶纤维。玻璃纤维因其强度、刚度较差，难以用在受力结构上，但因为价格便宜，民机上有较多应用。 复合材料的韧性和对环境的耐受能力主要取决于树脂。 韧性：表示材料在塑性变形和破裂过程中吸收能量的能力，韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。 1.1复合材料的应用 复合材料首次应用于空客A310-300（1985年）的垂尾上，后来应用到了扰流板、方向舵、起落架舱门、整流罩等部位。A340（2001年）首次将复合材料用在机身上，后气密压力框；A380（2005年）将中央翼盒用复合材料，将后压力框后部机身用复合材料，上层客舱底板、龙骨梁。A400M（2009年）第一架使用全碳纤维增强树脂基复合材料的机翼飞机。波音787（2009年）第一家引入全复材机体结构，整个机身结构用了碳纤维增强树脂复合材料。空客后来的A350XWB也是全复材机身。 1.2设计规范的演变 FAA针对复合材料结构合格审定中的新问题，于1978年颁布咨询通告AC-20-107A“复合材料飞机结构”，制定了一个可接受但不是唯一的验证方法，适用于FAR23、25、27和29涉及的所有航空器的复合材料结构，成为制定满足
浅析飞机复合材料结构修理技术 随着科技的不断进步，复合材料逐渐出现在航空领域，在现代航空领域的发展中被广泛应用。由于复合材料已经成为现代飞机结构的重要组成部分，并且其损伤机理与金属损伤存在差异，对复合材料结构修理技术研究具有重要的现实意义。文章主要基于飞机复合材料结构修理基础之上进行研究，促进飞机复合材料的可持续发展。 标签：飞机复合材料；结构修理；技术分析 前言 国内对于先进复合材料在航空领域的应用已经取得一定成效，但对于飞机复合材料结构修理技术的研究依旧需要不断完善。由于现代航空领域需求的不断增加，对复合材料的使用要求逐渐严格。同时在具体的应用过程中需要对复合材料进行维护，体现出飞机复合材料结构修理技术的重要性。 1 飞机复合材料结构类型以及损伤类型 目前，国内外的复合材料在航空领域的应用具有广泛性特点，材料用量占总体用量总重的25%-40%，其中民用飞机占11%-16%，直升机高达60%以上。由此可见，飞机复合材料结构在航空领域的应用具有广泛性特点。对于复合材料以及损伤类型进行分析，加深对复合材料修理技术的理解。 1.1飞机复合材料结构类型 1.1.1 压层板。复合材料当中的压层板主要是由单层板粘合而成，同时构成材料可为不同材质的单层板，也可为各向异性单层板进行构成。由于单层板构成存在复杂性以及非匀质性，导致单层板的实际构成具有各向异性的特点。 1.1.2 蜂窝夹芯结构。蜂窝夹芯机构主要是由薄面板与中间胶接低密度的夹芯构成，具体的面板结构为层压板，面板较薄。其中具体的使用材料为纤维玻璃布、单向碳纤维、编织布、芳纶有机纤维布等材料。蜂窝夹芯结构比常规金属结构具有较高的比强度、抗弯强度、高结构阻尼、消音以及耐声震、隔热性等良好的性能，在航空领域应用具有较好效果。 1.1.3 蜂窝壁板。蜂窝壁板主要是承力面以及蜂窝夹芯构成，蜂窝夹芯位于承力面板之间，使得整个蜂窝壁板的强度增加[1]。此外还有骨架元件以及众多的不锈钢板材料进行实际构成。在蜂窝壁板的实际结构当中，承力面板所承受的质量一般只是自身在平面内的负荷，骨架元件在具体应用中保证局部刚劲，提升固定地点的安全性以及耐用性。 1.2 飞机复合材料损伤类型
2010～2011学年第二学期 飞机结构维修（作业） 专业： 班级学号： 姓名： 授课教师：
飞机铝合金结构的修理方法和应用 摘要：各类飞机大部分以铝合金作为主要结构材料。飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架都可以用铝合金制造。因为其密度小、强度高的优点，在航空材料中得以广泛的应用。铝合金结构在使用过程不可避免地受到不同程度的损伤，如蒙皮破孔、梁缘条裂纹、框变形等，因而需要采取相应的方法加以修理，保证各个结构能够在使用中安全负载和工作。 关键词：铝合金结构蒙皮、梁、长桁、隔框、翼肋损伤修理方法 一、飞机铝合金的结构及特点 1. 蒙皮的结构及特点 蒙皮是包围在机翼骨 架外的维形构件，用粘接剂 或铆钉固定于骨架上，形成 机翼的气动力外形。蒙皮除 了形成和维持机翼的气动 外形之外，还能够承受局部 气动力。早期低速飞机的蒙 皮是布质的，而如今飞机的 蒙皮多是用硬铝板材制成 的金属蒙皮。 A340垂直尾翼表面蒙皮
机身蒙皮与机翼蒙皮的作 用和构造相同。如衍梁、衍条、 蒙皮、隔框的不同组合、可以 形成机身的不同构造形式。如 果蒙皮较厚，则衍梁、衍条、 隔柜可以较弱；如果蒙皮较薄， 则上述骨架也应该较强、较多。 机身蒙皮 2 梁的结构及特点 2.1翼梁 翼梁是最主要的纵向构件，它承受全部或大部分弯矩和剪力。翼梁一般由凸缘、腹板和支柱构成（如图所示），剖面多为工字型。翼梁固支在机身上。。凸缘通常由锻造铝合金或高强度合金钢制成，腹板用硬铝合金板材制成，与上下凸缘用螺钉或铆钉相连接。凸缘和腹板组成工字型梁，承受由外载荷转化而成的弯矩和剪力。 2.2衍条与桁梁 衍条的形状、作用与机冀的衍条相似。桁条是用铝合金挤压或板材弯制而成，铆接在蒙皮内表面，支持蒙皮以提高其承载能力，并共同将气动力分布载荷传给翼肋。衍梁的形状与衍条相似，但剖面尺才要大些，其作用与翼梁相似。
飞机结构与强度课程设计报告
《飞机结构与强度》 课程设计报告 简单刚架结构受力分析 专业： 学号： 学生姓名： 所属学院：航空工程学院 指导教师： 二〇一四年12月 一、目的与意义
本课题旨在探究限元法在分析飞机结构力学有关问题时的作用，使我们对有限元法有个基本的了解，并锻炼我们的自主分析能力和对有限元分析软件的实际操作能力。 二、有限元分析原理与软件介绍 有限元分析原理 有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就能够用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不但计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十
年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛而且实用高效的数值分析方法。ANSYS简介 本文采用ANSYS有限元软件对荷载作用下的结构进行分析。ANSYS是一个具有高度可靠性的结构有限元分析软件,有着四十多年的开发和改进历史,作为世界CAE工业标准及最流行的大型通用结构有限元分析软件,ANSYS的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域,并为用户提供了方便的模块化功能选项。 ANSYS的主要功能模块有:结构分析模块、热分析分析模块、磁场分析模块、流体分析模块、声学分析模块等。它的前后处理系统非常强大,能很好地模拟和分析各种工况条件下的物体受力状态。 ANSYS分析的一般流程能够分为以下几个步骤: (1)进入前处理,设定材料属性; (2)建立构建模型,主要包括: ①建立几何模型; ②分配属性; ③有限元模型网格化分; ④施加约束条件及荷载。 (3)进入后处理
飞机的复合材料修理：飞机复合材料通常被称为先进复合材料（Advanced Composite Material，ACM）。它使用高强度的纤维增强材料，嵌入在一种树脂基体里，以层或层片的形式叠加起来，形成层板，具有高强度，结实坚硬，能够减轻飞机结构重量，还具有抗腐蚀、破损安全性高等优点。 复合材料的修理工序也极其专业，涉及检查、去除修复损伤、打磨、清洁、制作浸布、铺层、粘接以及固化等众多复杂环节，其特点可用“精细”二字形容。 他们穿着白大褂、戴着口罩和细纱手套……远看你会以为这是一间手术室，其实这里是Ameco复合材料修理车间的洁净室。仅从工作场所上看，已能略猜出一二，复合材料的修理规格不一般。 近年来，复合材料作为飞机结构件的“新宠”，越来越多地被使用在飞机上，如飞机的整流罩、控制面、起落架舱门、大翼和安定面前后缘等部位。据悉，在波音787等一系列先进客机上，复合材料使用的比重甚至超过50%。但提及复合材料的修理，却鲜为人知。 其实，复合材料的修理过程很有意思，就像是为飞机表面做“外科手术”。但整个手术又涉及众多环节，每个环节都能展示出操作者的“十八般武艺”。 诊断：“病情损伤”靠耳朵 复合材料的特点是层面多，有点像“多层三明治”，中间夹层结构是蜂窝芯体，外面覆盖蒙皮，所有材料均由胶膜粘接。蒙皮也有多层，拿飞机大翼盖板来说，从里至外分别由三层碳纤维和一层玻璃纤维组成。 郭玉明是Ameco复合材料车间的一位年轻修理工，他常拿着专业敲击棒在一块襟翼盖板上轻轻敲击。他说，这个方法是为了查出那些从部件表面看不出来的“内伤”，比如开胶或脱层。 “这个地方声音清脆，说明它是完好区域，而这个地方声音沉闷、有点混沌，应该是有脱层。”据郭玉明讲，这份“练耳朵”的能力可不是随便谁都行的，需要多次实战磨炼和领悟。出师2年的郭玉明，当初为了练好这项本领，没少在部件上做“听音练耳”。此外，复合材料损伤的检查方法还有超声波、红外线热成像等。 去除损伤：完美“手术切割”工艺 去除复合材料损伤的工序很讲究。黄景森是Ameco复合材料车间的工艺工程师。据他介绍，切割一块盖板表面的损伤蒙皮，可以用切割片的边缘切去脱层部分。如果是蜂窝芯损坏，工作就会更复杂，要用切割片沿着损伤区域的蒙皮边
飞机结构修理 飞机的机体结构通常是由蒙皮和骨架等组成。蒙皮用来构成机翼，尾翼和机身的外形，承受局部气动载荷，以及参与抵抗机翼，尾翼，机身的弯曲变形和扭转变形。骨架包括纵向构件主要包括梁和桁条组成其作用主要是承受机翼、尾翼、机身弯曲时所产生的拉力和压力；横向构件包括翼肋、隔框等，主要用来保持机翼、尾翼和机身的截面形状，并承受局部的空气动力，各类飞机大部分以铝合金作为主要结构材料。飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架都可以用铝合金制造。因为其密度小、强度高的优点，在航空材料中得以广泛的应用。铝合金结构在使用过程不可避免地受到不同程度的损伤，如蒙皮破孔、梁缘条裂纹、框变形等，因而需要采取相应的方法加以修理，保证各个结构能够在使用中安全负载和工作。主要介绍飞机铝合金蒙皮、梁、桁、框及肋等结构的维修方法 1.飞机铝合金蒙皮 蒙皮是包围在机翼骨架外的维形构件，用粘接剂或铆钉固定于骨架上，形成机翼的气动力外形。蒙皮用来构成机翼、尾翼和机身的外形，承受局部空气动力载荷，以及参与抵抗机翼、尾翼、机身的弯曲变形和扭转变形。早期低速飞机的蒙皮是布质的，而如今飞机的蒙皮多是用硬铝板材制成的金属蒙皮。
机身蒙皮与机翼蒙皮的作用和构造相同。如衍梁、衍条、蒙皮、隔框的不同组合、可以形成机身的不同构造形式。如果蒙皮较厚，则衍梁、衍条、隔柜可以较弱；如果蒙皮较薄，则上述骨架也应该较强、较多。 2.梁的结构及特点 翼梁
翼梁是最主要的纵向构件，它承受全部或大部分弯矩和剪力。翼梁一般由凸缘、腹板和支柱构成（如图所示），剖面多为工字型。翼梁固支在机身上。凸缘通常由锻造铝合金或高强度合金钢制成，腹板用硬铝合金板材制成，与上下凸缘用螺钉或铆钉相连接。凸缘和腹板组成工字型梁，承受由外载荷转化而成的弯矩和剪力。 桁条与桁梁 衍条的形状、作用与机冀的衍条相似。桁条是用铝合金挤压或板材弯制而成，铆接在蒙皮内表面，支持蒙皮以提高其承载能力，并共同将气动力分布载荷传给翼肋。衍梁的形状与衍条相似，但剖面尺才要大些，其作用与翼梁相似。
2017年2月第20卷第4期 中国管理信息化 China Management Informationization Feb.,2017 Vol.20,No.4 新一代大型客机主要指使用效率（Efficiency）、经济（Economics）、超凡的乘坐舒适和便利（Extraordinary comfort and convenience）以及环保（Environmental）等综合性能比当前航线使用的客机有很大提高的大型商用运输机。 新一代大型客机的概念指导了波音787飞机和空客A350飞机的研发。新一代大型客机机体结构的突出特点是广泛采用复合材料，复合材料不仅减轻了飞机结构的质量、提高了飞机结构的使用寿命、降低了飞机的维护费用，还可以增加舱内压力和空气湿度，提高民用飞机的经济性、舒适性、环保性。先进复合材料在飞机结构上的应用走过了一条由小到大、由次到主、由局部到整体、由结构到功能和由军机应用扩展到民机的发展道路。 基于近20多年经验的积累和认知的共识，按照适航规章要求，结合民机工程实际，聚合物基纤维增强复合材料在飞机结构中实现了规模化的应用。要实现复合材料结构规模化的应用，结构设计必须要着重考虑复合材料结构在使用寿命期内、安全使用前提下，同时取得较好的经济效益。结构设计在满足型号设计要求的同时，必须要考虑结构规模化应用对制造、使用、维修提出的新需求，在设计主导下，形成“设计—制造—使用—维修”一体化的结构设计，实现飞机复合材料结构的安全性与经济性。 1 新一代大型客机复合材料结构规模化应用的决策 新一代大型客机机体结构需用新材料的决策是依据未来20～30年内大型客机在总体布局上与目前航线飞机不会有很大差别，但在综合性能、安全性、经济性和环保要求等方面，将有很大的提高发展趋势和航线宽体客机的需求增长制定。 新一代大型客机复合材料结构规模化应用的决策主要考虑： ①实现飞机结构明显减重，机翼、机身主结构均采用复合材料制造；②中模量高强碳纤维/增韧环氧（180℃固化）复合材料已经过工程应用的验证，可满足大型客机主结构对材料的要求；③复合材料制造工艺技术革新和新工艺技术发展，可使复合材料大型结构件制造成本明显下降；④先进设计技术和设计—制造一体化、并行工程技术的应用，使结构设计结果更科学合理，可实现异地设计和制造，为复合材料结构制造国际化创造了条件；⑤半个世纪复合材料应用经验的积累和复合材料结构设计理念与验证技术的更新，使新一代飞机研制周期大大缩短、研发费用减少。 因此，波音公司率先将21世纪初开始研制的现代宽体客机波音787复合材料的用量占到机体结构重量的50%，大大提高了结构效率，与同级别客机相比可节省燃油20%。 空中客车公司于2005年5月宣布空客A350项目启动（A350后称A350XWB，extra Wide-Body，型号系列为A350-900）。空中客车公司面对竞争对手的压力和用户的要求，在A350项目推出的三年间，曾对A350的设计方案进行多次重要修改，选材方案的修改多达6次，包括机身由计划初期采用铝和铝锂合金，改为机体由复合材料制造。 2 复合材料关键结构设计的新问题 飞机机体复合材料结构规模化应用的核心问题是突破飞机机体关键结构复合材料的应用技术。 飞机机体关键结构是指其完整性对保持飞机总体安全是至关重要的承受飞行、地面和增压载荷的结构或元件（其破坏会降低飞机结构完整性）。如：机翼、中央翼盒、机身等主结构，对运输类飞机还包括主要结构元件。 复合材料在飞机机体关键结构的应用，首先要考虑飞机总体安全对结构完整性的要求。同时，还应考虑复合材料用量大幅增加带来的固有特性潜在的危害威胁，如对结构制造缺陷、闪电防护及使用、维修提出的一系列要求。复合材料关键结构设计的新问题、新考虑，大致可归纳为以下几方面。 （1）基于对飞行安全性的认知，机体结构疲劳和损伤容限设计是重点，按《运输类飞机适航标准》对复合材料飞机结构的要求，飞机在整个使用寿命期内将避免由于疲劳、环境影响、制造缺陷或意外损伤引起的灾难性破坏。特别关注考虑的是外来物冲击、目视可见损伤及其扩展特性，两垮元件损伤、结构胶结以及“地—空—地”或“飞—续—飞”重复加载引起的材料性能退化和“高—低—高”温度交变引起的附加应力。 （2）质量、产量、成本综合平衡的大型整体结构制造技术。主结构零构件大型化、整体化设计，如翼面加筋壁板、翼梁、机身筒壳壁板、地板梁、中央翼盒壁板等，对制造技术提出了应通过充分的试制和试验，并进行合格鉴定，以保证其可重复生产性和设计的可靠性，结构制造生产能力应满足飞机按期交付的需求。采用成熟的制造技术，如数字化、自动化（包括检测自动化）、减少或消除人为因素影响的制造方法，可实现降低结构的制造成本，设计、制造一体化是必由的技术途径。 （3）复合材料结构闪电防护设计的地位很重要。复合材料（以碳/环氧复合材料为代表）导电性比标准铝合金大约低1 000倍的固有特性，决定了如果不提供恰当的导电闪电防护，闪电雷击可能造成结构破坏或大面积损伤，并可能在金属液压管路、燃油系统管路和电缆诱导上产生高闪电电流和电压。闪电防护可细分为结构完整性、燃油系统、电气和电子系统三个方面进行考虑，复合材料结构闪电防护给飞机带来了重量和成本的增加。 （4）结构耐撞损性的设计要求。飞机的耐撞损性由机身的冲击响应特性控制。对耐撞损性，规章一直随着实际飞机运行使用得到的经验而改变。机群经验还没有证实需要整机级耐撞损性的标 新一代大型客机复合材料结构一体化设计的若干特点 何长川，梁 伟，杨乃宾 （北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100083） ［摘 要］大量采用复合材料结构是新一代大型客机机体结构设计的突出特点。飞机机体复合材料结构规模化应用的核心问题是突破飞机机体关键结构复合材料应用技术。复合材料结构一体化综合设计是在确保使用寿命期内、飞机安全飞行使用的前提下，实现复合材料结构规模化应用并取得良好经济的、多设计要素变量的综合设计。本文对波音787和空客A350复合材料机身的设计与制造进行了对比，分析了各自的优缺点。 ［关键词］大型客机；复合材料结构；机体结构；规模化应用；一体化设计 doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2017.04.091 ［中图分类号］V25 ［文献标识码］A ［文章编号］1673-0194（2017）04-0139-03 ［收稿日期］2017-01-02 / 139 CHINA MANAGEMENT INFORMATIONIZATION
复合材料在飞机航空中的应用与发展 学校：西安航空职业技术学院 专业：金属材料与热处理技术 姓名：郭远 摘要 复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一；复合材料构件的整体成型、共固化技术不断进展，复杂曲面构件不断扩大应用；复合材料的数字化设计，设计、制造一体化，以及基于三维模型铺层展开的专用设计／制造软件等技术的开发是先进复合材料发展的基本技术保障. 复合材料在飞机航空中的应用与发展 复合材料大量用于航空航天工业和汽车工业，特别是先进碳纤维复合材料用于飞机尤为值得注意。不久前，碳纤维复合材料只能在军用飞机用作主结构，但是，由于技术发展的进步，先进复合材料已开始在民航客机止也应用作主结构，如机身、机翼等。 一．飞机结构用复合材料的优势 现今新一代飞机的发展目标是“轻质化、长寿命、高可靠、高效能、高隐身、低成本”。而复合材料正具备了上面的几个条件，成为实现新一代飞机发展目标的重要途径。
复合材料具有质轻、高强、可设计、抗疲劳、易于实现结构/功能一体化等优点，因此，继铝、钛、钢之后迅速发展成为四大飞机结构材料之一。 复合材料在飞机结构上的应用首先带来的是显着的减重效益，复合材料尤其是碳纤维复合材料其密度仅为cm3左右，如等量代替铝合金，理论上可有42%的减重效果。 近年来随着复合材料技术的深入研究和应用实践的积累，人们清楚地认识到：复合材料在飞机结构上应用效益绝不仅仅是减重，而且给设计带来创新舞台，通过合理设计，还可提供诸如抗疲劳、抗振、耐腐蚀、耐久性和吸透波等其它传统材料无法实现的优异功能特性，可极大地提高其使用效能，降低维护成本，增加未来发展的潜力和空间。尤其与铝合金等传统材料相比，可明显减少使用维护要求，降低寿命周期成本，特别是当飞机进入老龄化阶段后效果更明显，据说B787较之B767机体维修成本会降低30％，这在很大程度上应归功于复合材料的大量应用。同时，大部分复合材料飞机构件可以整体成型，大幅度减少零件数目，减少紧固件数目，减轻结构质量，降低连接和装配成本，从而有效地降低了总成本，如F/A-18E/F零件数减少42%，减重158kg。复合材料整体成型技术还可消除缝隙、台阶和紧固件，无疑对提高军机的隐身性能也具有非常重要的贡献。 二．飞机结构用复合材料的发展过程 先进复合材料于上世纪60年代中期一问世，即首先用于飞行器结构上。30多年来先进复合材料在飞机结构上应用走过了一条由小到大、由次到主、由局部到整体、由结构到功能、由军机应用扩展到民机应用的发展道路。 1.复合材料在军用飞机上的发展过程
7．5 复合材料结构设计 一、复合材料结构设计一般原则 本节主要介绍层压结构和由层压面板构成的夹层结构的设计原则．复合材料结构设计的一般原则从总的方面说与金属结构相似，但其具体内容则有所同，有所不同。相同之处，如传力路线最短等受力构件布置的一些基本原则，又如细节设计中要避免受载偏心，尽量避免开口，开口时注意其形状等一些内容，但由于复合材料与金属材料性质、性能上的不同，在设计原则 的具体内容上必然有很多不同之处。以下我们主要就不同的方面作简要介绍。 1．提高结构效率 针对复合材料的特点，除上述与金属相同的原则外，还应从以下几方面着手： (1)铺层设计中要扬长避短，充分利用复合材料沿纤维方向的优良性能，避免使用其弱的横向性能和剪切性能。 (2)与单纯的层合板不同，对于层压结构耍注意选择合理的结构形式和层板构形，对某些敏感区的局部铺层设计：如在连接区、局部冲击区、集中力作用点、开口附近等处的铺层一般应进行局部调整，在结构尺寸和结构外形突变区注意铺层过渡问题。要注意复合材料层压性带来的某些区域易产生分层，从而可能引发的结构承载能力下降或失效的问题，尽可能采取相应措施(详见本节的三)。 (3)提高结构整体性。复合材料比金属更易制造出形状复杂的构件，并具有可采用共固化工艺制造大型整体件的优点。设计中在不增加工装复杂程度的情况下应尽量减少零件数量，设计成整体件，如大块机翼整体壁板。这样可不用紧固件或减少紧固件的数量，减轻结构重量，提高结构效率，并可减少钻孔、装配的工作量和由孔引起的应力集中以及制造成本。 2．要保证结构中各元件之间的载荷传递 复合材料构件与金属构件不同，除具有一定的形状外，还可以具有不同的层板构形。要使各构件之间(如蒙皮和桁条、冀肋、翼粱之间)和各构件的各个部分之间(如梁的绿条和腹板之间)的承载路径尽量连续。连接的形式与方法应与需传递的载荷性质(拉压、剪切)和方向相适应，尽量避免偏心和切口效应。同一构件须拼接时，其纤维取向也应连续。 3．结构要求良好的工艺性 设计必须保证能制作出保证质量和低成本的结构，尽量避免成形和装配时可能出现的各种缺陷。包括以下各点： (1)避免铺层设计不合理带来的工艺性问题。如铺层、装配不对称或同一铺向角的铺层数集中过多使构件在固化过程中引起弯—拉—扭耦合而产生翘曲变形、树脂裂纹，
图1右平尾上蒙皮腐蚀损失情况 用复合材料技术修理金属飞机结构的修理记实 Re p air Practice of Usin g Com p osite Technolo gy for Aircraft Metal Structures ?陈绍杰/沈阳飞机研究所 用 复合材料技术修理金属飞机结构是一项比较新的机体结构修理技 术,90年代已为世界各国普遍采用。该方法实质上是由复合材料结构胶接修理方法发展而来的,此时贴补的胶接补片不是贴在复合材料结构上而是贴在金属结构上。该方法特别适用于金属飞机结构的裂纹的腐蚀等多发性常见损伤,是目前世界上公认的一种优质、高效、低成本的修理方法。原5航空制造工程6杂志已对该项技术作过相应的报道。 任务来源 用复合材料技术修理金属飞机结构,虽然在国际上已是一项成熟的新技术,但在我国国内基本上还是一个空白。有鉴于此,以沈阳飞机制造公司(沈飞)为主,有沈阳飞机研究所参加与希腊的H AI(H ellenic Aeros p ace Industr y )合作成立了/沈阳)Hellenic 飞机修理公司0,拟从希腊引进该项技术,推广应用于国内的军、民机修理业务。HAI 是希腊一家国家控股的国有大型飞机和发动机修理公司,始建于1975年,在欧洲同业者中占有较重要的技术地位。 沈阳)H ellenic 飞机修理公司于1999年7月7日~9日在沈飞公司进行 了第一次采用该技术进行飞机修理,因为这是首次将该技术用于国内飞机的修理实践,故某种程度上带有演示验证的性质。修理材料、修理设备均由希方提供,操作亦由希方为主进行。修理方案和设计及则由双方合作进行。为此希方派来3名技术和操作人员完成了具体的修理工作。 待修结构及损伤情况 待修飞机结构是某型飞机的两个水平尾翼。该机是一架返厂大修的飞机。因该机长期在沿海使用,由环境条件造成多处腐蚀损伤。此次修理的具体对象为该机左右平尾翼尖接近配重处的腐蚀损伤,计有左尾下蒙皮、右平尾上、下蒙皮共3处,具体腐蚀性能 详见表1。 图1给出了一张腐蚀情况的照片,该照片为打磨去除损伤后的情况,从照片上清晰可见损伤严重处的腐蚀深坑。 该机平尾主受力盒的壁板材料为LC9铝合金,相当于7075-T 6,为高强铝合金。该部位除承受静载外,还有翼尖处 用复合材料技术修理金属飞机结构是当今一项比较新的修理技术,本文介绍了在我国首次进行的具有演示验证性质的一次修理实践。
《飞机结构与强度》 课程设计 姓名： 学号：班级：指导老师：
一：问题描述 修改自《飞机结构与强度》书上例题4-11，如图所示为由6个杆件组成的衍架结构，5点受到一个方向向下的力F y ,其中1-2杆,2-4杆，3-4杆，4-5杆的长度为1m，2-3杆，2-5杆长度为1.414m。弹性模量E=206GPa；泊松比μ=0.3；作用力F y =-1000N；杆件的横截面积A=0.125m2。利用ansys10.0求解节点1,3支反力，各杆轴向力以及各节点位移大小。 二：建模过程 1．定义单元类型。选择主菜单中的“Preprocessor >Element Type>Add/Edit/Delete”，弹出对话框，点击对话框中的“Add…”按钮，又弹出一对话框（如图表1所示），选中该对话框中的“Link”和“2D spar 1”选项，点击“OK”，返回至上一级对话框，此时，对话框中出现刚才选中的单元类型：LINK1。点击“Close”，关闭。
图表1 2.定义几何特性。在ANSYS中主要是实常数的定义：点击主菜单中的“Preprocessor>RealContants>Add/Edit/Delete”, 弹出对话框，点击“Add…”按钮，之前定义的LINK1单元出现于该对话框中，点击“OK”，弹出下一级对话框(如图表2所示)， 图表2 在AREA一栏输入杆件的截面积0.125，点击“OK”，回到上一级对话框，点击关闭。 3.定义材料特性。点击主菜单中的“Preprocessor>Material Props> Material Models”, 弹出对话框（如图表3所示）,逐级双击右框中“Structural,Linear,Elastic,Isotropic”前图标，弹出下一级对话框，在弹性模量文本框中输入：206E9，在泊松比文本框中输入：
飞机结构修理 飞机的机体结构通常就是由蒙皮与骨架等组成。蒙皮用来构成机翼,尾翼与机身的外形,承受局部气动载荷,以及参与抵抗机翼,尾翼,机身的弯曲变形与扭转变形。骨架包括纵向构件主要包括梁与桁条组成其作用主要就是承受机翼、尾翼、机身弯曲时所产生的拉力与压力;横向构件包括翼肋、隔框等,主要用来保持机翼、尾翼与机身的截面形状,并承受局部的空气动力, 各类飞机大部分以铝合金作为主要结构材料。飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框与起落架都可以用铝合金制造。因为其密度小、强度高的优点,在航空材料中得以广泛的应用。铝合金结构在使用过程不可避免地受到不同程度的损伤,如蒙皮破孔、梁缘条裂纹、框变形等,因而需要采取相应的方法加以修理,保证各个结构能够在使用中安全负载与工作。主要介绍飞机铝合金蒙皮、梁、桁、框及肋等结构的维修方法 1、飞机铝合金蒙皮 蒙皮就是包围在机翼骨架外的维形构件,用粘接剂或铆钉固定于骨架上,形成机翼的气动力外形。蒙皮用来构成机翼、尾翼与机身的外形,承受局部空气动力载荷,以及参与抵抗机翼、尾翼、机身的弯曲变形与扭转变形。早期低速飞机的蒙皮就是布质的,而如今飞机的蒙皮多就是用硬铝板材制成的金属蒙皮。
机身蒙皮与机翼蒙皮的作用与构造相同。如衍梁、衍条、蒙皮、隔框的不同组合、可以形成机身的不同构造形式。如果蒙皮较厚,则衍梁、衍条、隔柜可以较弱;如果蒙皮较薄,则上述骨架也应该较强、较多。 2、梁的结构及特点 翼梁
翼梁就是最主要的纵向构件,它承受全部或大部分弯矩与剪力。翼梁一般由凸缘、腹板与支柱构成(如图所示),剖面多为工字型。翼梁固支在机身上。凸缘通常由锻造铝合金或高强度合金钢制成,腹板用硬铝合金板材制成,与上下凸缘用螺钉或铆钉相连接。凸缘与腹板组成工字型梁,承受由外载荷转化而成的弯矩与剪力。 桁条与桁梁 衍条的形状、作用与机冀的衍条相似。桁条就是用铝合金挤压或板材弯制而成,铆接在蒙皮内表面,支持蒙皮以提高其承载能力,并共同将气动力分布载荷传给翼肋。衍梁的形状与衍条相似,但剖面尺才要大些,其作用与翼梁相似。