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0 引言
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随着全球民机事业的不断前进和发展,复合材料在民用飞机中的重量占比越来越高。波音787的复合材料重量占比为50%,A350XWB-900的复合材料重量占比达51%,而中国的CR929也将大量使用复合材料。
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民用飞机的使用环境温度包线大,热应力对其静强度和疲劳强度的影响不可忽视。吴琳琳[1]研究了不同季节,大气温度和太阳辐射对飞机表面温度场的影响。顾威等[2]研究了不同对流换热条件下复合材料层合板的固化温度场和热应力。李建璞[3]利用动态网格划分技术,提出了一种新的温度场快速计算方法,但却牺牲了一定的计算精度。李军鹏[4]通过研究发现,珠状波纹板对热应力的减缓作用非常明显,带主动冷却前缘的温度明显低于一般前缘的温度,同时结构凸起对临近空间飞行器热应力减缓效果并不明显。王遵[5]等使用解析法和有限元数值分析两种方法分别对复合材料单面补强试件中的残余热应变/应力大小及分布进行预测,并得到试验结果的验证。王刚等[6]通过一个“标准球淬火”的热应力计算实例来验证自己的计算方法是否正确,进而旁证其他工程问题处理方法的合理性。耿湘人等[7]研究发现,多种材料组成的热结构其热应力远远高于单一材料,热应力特征也与单一材料有很大不同,此外还发现在多材料热结构中使用柔性应变隔离垫能大大降低热应力水平,可用于指导热结构设计。李双等[8]运用ABAQUS研究了某整流罩的装配应力和热应力,提高了分析效率。李丽霞[9]从理论角度推导了线性温度条件下热障涂层多层结构内的热应力分布情况。李志生[10]等从修订的傅里叶定律出发,研究了介质的热量传播速度为有限值时的热传导问题。
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复合材料比强度大、重量轻、结构效率高,在民用飞机上得到广泛应用。对于民用飞机而言,复合材料蒙皮加金属框是一种典型的混杂连接形式。通过大量使用复合材料蒙皮,可以减轻飞机的结构重量,减小运营成本,同时带来较高的运营效益。复合材料的力学性能和金属存在一定差异,其弹性模量可通过不同的铺层顺序进行定量设计,具有较强的设计性。同时,复合材料的热学性能呈现出各向异性,纤维方向和垂直纤维方向呈现出较大差异。目前,人们对复合材料与金属混杂连接结构已做了大量研究,而关于复合材料不同铺层顺序与金属混杂连接的热应力应变仍可进行进一步的研究。
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本文通过使用有限元模型建模计算,建立复合材料蒙皮与金属框典型结构,控制复合材料的铺层顺序即铺层厚度和铺层性能,并将其与两种不同的典型金属进行连接,计算其热应力在金属框厚度变化时金属和复合材料的热应力变化,得出复合材料和金属混杂连接结构的热应力变化及其与金属厚度变化的关系。
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1 模型简介
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1.1 结构简介
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本文所使用的模型为民用飞机典型复合材料蒙皮加金属材料框的形式。金属与复合材料混杂连接结构中,复合材料蒙皮铺层的单层厚度为0.187mm,共32层对称铺层,铺层顺序为[-45/45/-45/45/-45/45/0/90/-45/45/-45/0/90/0/90/45]s。钛合金和铝合金框厚度共有3mm、4mm、5mm、6mm四种形式,共建立8个模型。复合材料和钛合金、铝合金的结构材料性能参数见表1,表中A1表示复合材料铺层纤维方向的热膨胀系数,A2表示垂直纤维方向热膨胀系数。从表1中可以看出复合材料铺层纤维方向的热膨胀系数小于零,而垂直纤维方向的热膨胀系数大于零;表明当温度升高时,复合材料纤维方向收缩,而垂直纤维方向膨胀。
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1.2 有限元模型简介
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有限元模型如图1所示,红色区域为复合材料蒙皮结构,蓝色区域为金属框结构,采用粗网格模型。模型中,复合材料蒙皮和框腹板简化为膜元,长桁、框内缘简化为杆元,框外缘简化为梁元。通过建立图1所示的有限元模型,来模拟大比例使用复合材料的民用飞机的典型机身结构复合材料蒙皮与金属框混杂连接局部构型,使蒙皮带有一定弧度来模拟圆形机身筒段局部构型。
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图1 有限元模型
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图2为有限元模型约束示意图,将有限元模型的边界节点的6个自由度均放开,即6个自由度均设置为0。约束模型中间节点(图1中红色圈中的节点)的6个自由度,使模型在温度载荷下可以向四周自由膨胀。
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图2 模型约束
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混杂结构的初始温度场为20℃,即模型中所有节点均设置初始温度20℃,建立初始温度场时热应力计算分析具有完整性。图3为有限元模型的初始温度场示意图。
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图3 初始温度场20℃
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金属的热应力和复合材料的热应变随温度场变化呈线性关系,本文在复合材料蒙皮有限元模型节点上施加-75℃,模拟飞机运行过程中机身蒙皮可能遇到的极低温环境温度;机身框认为在机身内部,施加20℃的室温,研究极端寒冷条件下的热应力。图4为有限元模型的温度场示意图。
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图4 温度载荷蒙皮-75℃,框20℃
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2 分析结果
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钛合金框与复合材料蒙皮混杂连接的有限元模型计算结果如图5和图6所示,其中复材蒙皮的考核区为整个蒙皮,取其应变为考核参数;钛合金框的考核区为中间位置的框,取其应力为考核参数。将计算结果进行汇总整理,并计算出复合材料蒙皮应变和钛合金框应力随温度变化的梯度,如表2所示。
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结合图5和表2可以看出,随着钛合金框厚度的增加,复合材料蒙皮的温度场应力以非线性关系在降低。钛合金框的厚度越厚,复合材料蒙皮的温度场应力减小的越缓慢。由此可以得出,相同温度载荷下,当钛合金框与复合材料蒙皮连接时,增加钛合金框的厚度可降低复合材料蒙皮的温度场应变。
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图5 钛合金框厚度变化时的蒙皮应变云图
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图6 钛合金框厚度变化时的框应力云图
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结合图6和表2可以看出,钛合金框考核区域的最大应力出现在框外侧腹板单元,随着钛合金框厚度的增加,钛合金框的温度场应力在降低。钛合金框的厚度越厚,其自身热应力越小。由此可以得出,当钛合金框与复合材料蒙皮连接时,增加钛合金框的厚度可降低钛合金框的温度场应力。
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从表2中可以看出,当钛合金框与复合材料蒙皮混杂连接时,钛合金框的热应力比复合材料蒙皮的热应变与金属框厚度的变化呈负相关。
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铝合金框与复合材料蒙皮混杂连接的有限元模型计算应力结果如图7和图8所示,蒙皮和框的考核区域及参数同复材与钛合金框连接模型。将计算结果进行汇总整理,并计算出复合材料蒙皮应变和铝合金框应力随温度变化的梯度,如表3所示。
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图7 铝合金框厚度变化时的蒙皮应变云图
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图8 铝合金框厚度变化时的框应力云图
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结合图7和表3可以看出,随着铝合金框厚度的增加,复合材料蒙皮的温度场应变增加。由此可以得出,相同温度载荷下,当铝合金框与复合材料蒙皮连接时,增加铝合金框的厚度会增加复合材料蒙皮的温度场应变。
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结合图8和表3可以看出,铝合金框考核区域的最大应力在框外侧腹板单元,随着铝合金框厚度的增加,铝合金框的温度场应力降低。铝合金框的厚度越厚,其自身热应力越小。由此可以得出,当铝合金框与复合材料蒙皮连接时,增加铝合金框的厚度可降低其自身的温度场应力。
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从表3中可以看出,当铝合金框与复合材料蒙皮混杂连接时,复合材料蒙皮的热应变和铝合金框的热应力与铝合金框厚度变化不同。
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将复材蒙皮热应力、钛合金和铝合金的热应力与金属的厚度变化之间的关系整理成图9和图10,可以看出,其呈现出一种定性变化趋势。
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图9 复材蒙皮与钛合金连接应力应变曲线
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3 结论
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本文通过建模计算研究了复合材料蒙皮与钛合金或铝合金框混杂连接结构的热应力应变相关性能,其中复合材料厚度参数、铺层顺序等不变,也使得文章具有一定局限性,后续将通过控制复材铺层顺序、铺层方向比例、铺层数量等变量研究其与金属结构连接的热应力应变。
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图10 复材蒙皮与铝合金连接应力应变曲线
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本文经计算研究发现,当复合材料结构固定而两种金属结构厚度在3mm~6mm之间时,在相同温度载荷下,经建模计算分析,得到如下结论:
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1) 复合材料蒙皮与钛合金框连接时,其热应变与钛合金框的厚度成反相关,增加钛合金金属框厚度可降低复材蒙皮的热应变;
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2) 复合材料蒙皮与铝合金框连接时,其热应变与铝合金框的厚度变化成正相关,增加铝合金金属框厚度会增加复材蒙皮应变;
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3) 钛合金框的热应力与自身厚度成负相关;
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4) 铝合金框的热应力与自身厚度成负相关。
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参考文献
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[3] 李建璞.温度场的快速计算[D].上海:上海师范大学,2010:4-5.
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[5] 王遵,肖加余,曾竟成,等.复合材料单面补强铝合金板中的残余热应力[C]//第十六届全国复合材料学术会议.复合材料:创新与可持续发展(下册).北京:中国科学技术出版社,2010:1213-1214.
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摘要
随着民用飞机的不断发展,复合材料在民用飞机上的使用比例越来越高,复材与金属的混杂连接结构细节也越来越多。民用飞机使用的环境温度包线大,在-75 ℃~55 ℃之间,研究金属与复合材料混杂连接结构的热应力及应变具有必要性。使用控制变量法和对比法,通过有限元建模计算,研究不同厚度的铝合金和钛合金与同一种复合材料连接的结构热应力与应变。结果表明,在相同温度载荷及金属厚度在3 mm~6 mm之间时,复合材料的热应变与钛合金结构厚度成反相关,且钛合金框的热应力比复合材料蒙皮的热应变对钛合金框厚度的变化更敏感;复合材料的热应变与铝合金结构的厚度变化成正相关;钛合金框结构的热应力与自身厚度成反相关,铝合金框结构的热应力与自身厚度成反相关。研究结果具有一定借鉴意义和价值。
Abstract
With the continuously development of civil aircraft, the ratio of composite used is growing higher and hybrid connection between composite and metal is growing. The range of environment temperature is large and varies from -75 ℃ to 55 ℃, it is necessary to study the thermal strain of composite and stress of metal hybrid connection structure. Control variable and comparison methods were used to study thermal stress of different titanium alloy and aluminum alloy thicknesses connected with the same composite by FEM computation. Results show that for the same composite structure and specific metal thickness range between 3 mm and 6 mm, composite thermal strain decreases when the thickness of titanium alloy increases and it is more sensitive to the thickness of titanium alloy compared with the titanium alloy itself, which also increases when aluminum alloy thickness increases for the same temperature. Thermal stress of titanium alloy decreases when its thickness increases while aluminum alloy decreases when its thickness increases. The research results have certain kinds of meaning and value for reference.
Keywords
composite ； titanium alloy ； aluminum alloy ； thermal stress ； thermal strain ； control variable method
