客机复合材料APU舱门结构设计及分析

客机复合材料APU舱门结构设计及分析

周爱国1陈晨2

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司黑龙江省哈尔滨市150066

摘要：按照结构布局、适航要求及APu门载荷水平，对复合材料APu舱门结构进行设计研究。为满足防火要求和闪电防护要求，选择先进碳纤维复合材料和泡沫芯材，设计了一种复合材料夹层结构。利用有限元模型对夹层结构在气动载荷和风载作用下进行应力和位移分析，得到应变云图和变形云图，分析说明该夹层结构设计满足设计要求。

关键词：APU舱门；结构设计；复合材料；夹层结构

随着航空科掣技术曲不断进步．新材科飞速发展．其中尤以先进复合材料的发展最为突出。先进复合材辩主要包括较高强度和横量的玻璃纤堆、碳纤维、芳纶纤维等增强的复台材抖，耐高温的纤雏增强陶瓷基复台材科、隐身复合材料、梯度功能复台材料等。

一、国内外复合材料发展现状与趋势

过去一个世纪，航空用复合材料经历了很大的发展变化。2O世纪60年代以硼、环氧为代表，先进复合材料问世，源于军机结构减重需求。此后，碳纤维成为主要增强纤维，民机着重研究了与安全性、可靠性、经济性相关的复合材料性能和设计、工艺技术。日本东丽公司00碳纤维（基准型碳纤维）达到波音公司碳纤维材料规范BMS9—8要求。T300／环氧（采用未改进胺类固化剂）复合材料符合波音公司复合材料预浸料标准BMS8—256要求（含复合材料性能指标要求），为民机结构用第1代复合材料，用于操纵面和尾翼结构。波音公司提出了新的复合材料预浸料标准BMS8—276，概述了主承力结构复合材料性能目标。波音公司提出改进碳纤维性能，要求碳纤维拉伸弹性模量提高30％、拉伸强度提高50％，同时，开发高抗分层能力的韧性树脂基体，欲将复合材料结构设计许用应变由第1代复合材料的0．13～0．14％提高到0．16～0．18％，以使新一代复合材料适合民机主承力结构应用。NASA发布RP1142碳纤维／热固型韧性树脂复合材料标准规范。中模量、高强度型碳纤维T800达到波音公司碳纤维材料标准BMS9217要求，并与同期研发的180~C固化韧性环氧树脂构成的复合材料（如T800H／3900—2）达到波音公司材料标准BMS8—276要求。T800H／3900—2复合材料在波音777尾翼蒙皮、桁条、翼梁和地板梁上得到了应用验证。民机结构用主要碳纤维特点分析。值得注意的是，T800H／3900—2复合材料的压缩设计许用应变并没有明显的提高，仍在0．40～0．45％范围内。此后研发的高强型（S型）碳纤维T700S等，虽然其复合材料的拉伸性能有所提高，但纵横剪切、层间剪切性能均比T300复合材料有所降低。目前，T700S纤维在大型民机上以编织物增强材料形式在次承力结构件上应用。以中模量高强度碳纤维、高韧性环氧复合材料为主的结构设计选材是大型客机结构设计选材明显特点。

二、APU舱门结构设计

1．设计要求。例如某客机APu舱内设计工作温度在一53℃至+134℃范围内，着火后火焰温度约1093℃，APu舱段也是雷击扫略区，由于特殊的工作环境，APu舱门结构除满足自身强度外，必须满足防火要求和闪电防护要求一，见表1，表中：LCl为飞行载荷工况，6g垂直向下过载及气动载荷，单侧门的气动载荷在总体坐标系下：F。=3673．38N，F2=一1377．28N；LC2为在地面载荷工况下APu舱门完全打开状态下承受33．44In／s的风载及自身重量；u为许用变形位移。

2.材料选择。APu舱门选用泡沫夹层结构，优点是重量轻、抗弯刚度高。利用其较高的抗弯刚度来提高板的稳定性，可以很好地协调其临界失稳应力水平和静强度许用应力水平。通过对动力装置防火适航要求的分析，APu舱段使用的材料必须能够承受高温环境、阻燃、低烟和低毒以避免燃烧时产生烟雾或有毒气体进入客舱区域。为了满足适航防火和耐高温要求，因此APu舱门壁板铺层选择了应用于A380飞机APu舱结构的复合材料，厚度为o．3mm的185℃固化的碳纤维苯并恶嗪树脂织物预浸料（Epsilon97702．1／HTA5Hs一285），优点是固化时间更短，具有良好的力学性能、耐温性能及防火性能。力学性能见表2，表中：E11和E22分别为单层板1方向和2方向上的弹性模量；12为单层板单独在1方向受力时的波松比；G12为单层板在1—2平面内的剪切弹性模量；为极限许用拉应变；极限许用压应变；极限许用剪应变。

芯材通常使用蜂窝或泡沫。蜂窝具有压缩模量高和重量轻的优点，是飞机结构广泛使用的夹心材料。但在某些情况下，如面板出现裂纹时，液态水和水蒸气很容易进入蜂窝，冰冻后膨胀，将破坏邻近蜂窝孔格的粘结，降低了夹层结构的性能而必须进行修理，费用十分昂贵。APu舱内会有大量冷凝水流经舱门结构并积聚在最低端的排液口，蜂窝夹层结构件的维护费用使得原本质轻的优点和泡沫夹层结构相比不再存在，刚性泡沫是闭孔的，水和水汽不能进入夹心内部，减少了维护检查的成本，全寿命成本更加经济。ROHA—CELLwF泡沫是聚甲基丙烯酰亚胺闭孔刚性泡沫，共固化工艺温度可达180℃，还易于机械加工和具有良好的防火性能（低烟雾浓度，不释放有害物质），已经在各种飞机结构中成功地应用，夹芯材料选用了ROHACELL71wF—HT型泡沫。复合材料在没有雷击防护层的情况下，在经受60～100kA峰值电流和1．9c电荷量放电后会产生严重损伤，必须进行防雷击处理。此APu舱门在气动表面上铺金属丝网与碳纤维材料共固化，再用电搭铁线把金属网和机身连接形成导电通路，将雷电传导到机身。

铺层设计。APu舱门结构是夹层壁板结构，起维持气动外形和连接其它组件的作用。为保证各方向都具有好的承载能力，各方向性能一致，上下面板采用准各向同性铺层方式。0。、±45。和90。铺层比例分别为25％、50％和25％。结构主要受弯曲载荷，为满足轻质化要求，在满足夹层结构上下面板强度要求的前提下，尽可能地减少面板铺层，通过调整泡沫厚度来控制舱门抗弯刚度。经过改变铺层层数，计算面板单层中x／Y向的最大平面应力，选择0／90和+／一45铺层比例各占50％，铺层数量为[05／±455／905]，泡沫夹层处厚度为22.35mm，无泡沫夹芯处厚度为3．5mm。称重得总重量为13．325kg。

三、APU舱门层压板结构分析

APU舱门结构的连接区为复合材料层压板结构，需分别对层压板结构强度，连接区层压板挤压强度和拉脱强度进行分析。层压板结构强度，需依据舱门有限元模型在不同载荷情况下的计算结果，读取最大主应变，最小主应变和最大剪应变与设计许用值相比，分别得到最小安全裕度，对于紧固件连接位置的层压板，需根据每个紧固件的载荷分别计算出层压板的挤压应力和拉脱应力，并分别和相应的许用值相比得到安全裕度。

复合材料结构在飞机上的应用所占的比例已经成为衡量飞机先进性的最重要标志之一，在国际航空产业发展竞争中，一些西方国家实行价格垄断，并对我国的复合材料进口采用了管制的手段，严格控制技术水平和应用范围。为了国家的自强，我们需要发展自己的复合材料产业，通过自我的完善来打破国际垄断问题。中国民机的开发必将会加大对复合材料的支持力度，切实抓好国产碳纤维基础工作和大型制造工艺设备建设，促进中国复合材料结构技术跨越式发展。

参考文献：

［1］郝杰．蜂窝夹层结构复合材料应用研究进展．2014

［2］陈海秀．飞机复合材料结构强度分析．2014