民用飞机复合材料机翼固定前缘结构设计研究
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专题综述厂；却 。ｚ脚如
民Hale Waihona Puke 飞 机 复合 材 料 机 翼 固定前 缘 结构 设 计研 究
陆 凯 华
（中国商 用飞机 有 限责任 公 司上 海飞机 设计研 究院 ，上 海 ２０１２１０）
摘 要 ：复合材料因其 良好的抗疲劳性 、抗腐蚀 性 、卓越的减重效率 以及优越的结构可设计性 ，在 民用 飞机 上 的用量 比例 逐 渐 增 多 。机 翼 固定 前 缘 作 为 机 翼 的 重 要 部 件 ，不 仅 对 前 缘 缝 翼 起 到 支 撑 作 用 ， 同 时还对抵 抗 鸟撞 、安 装 各类 系 统 发 挥 重要 作 用 ，其 设 计 要 考 虑 多 方 面 的 因素 ，具 有 较 大 的设 计 难 度 。 本文 从设计 驱 动 、材料 选取 、成 形工 艺 、蒙皮 设 计 、辅 助梁 设 计 等 方 面 来 阐 述机 翼 复 合 材 料 机 翼 固定 前 缘 结 构设计 。
机 翼 固定前 缘 是 机 翼 的重 要 部 件 ，是 指 布 置 于机 翼 前梁前 侧 、前 缘 缝 翼 后 侧 、外 翼 根 肋 至 端 肋之 间 的 固定 结 构 ， 由蒙 皮 与 支 撑 肋 组 成 ，典 型 截面为 “Ｄ”形 ，如 图 １所示 ，使用 先进复合 材 料 ，不仅可以降低 固定前缘 的重 量 ，同时可 降低 制造 维 护成本 。
作者简介 ：陆凯华 ，（１９９１一 ），毕业于南京航空航天大学 ，现就职于上海飞机设计研究院 结 构部外翼盒段室 ，任机翼 固定前缘及下壁 板 １：３ 盖 设 计 主管 ， 电子 邮箱 ：ｌｕｋａｉｈｕａ＠ ｃｏｍａｃ．ＣＣ
１０
高科 技纤维与应用
２０１８ 期
第２
肺 一ＴｅｃｈＦｉｂｅｒ ａｎｄＡ即 如ｎ ｎ
Ｓｐｅｃｉａｌ脚 ／Ｊ专题综述
逐渐应用 于国内外先进 民用飞机上。波音 ７８７飞 机复 合 材料用 量 已超 过 ５０％ ，空客从 Ａ３１０的 ５％ 复 材 用 量 比 例 到 Ａ３８０ 的 ２５％ ，最 新 研 制 的 Ａ３５ＯｘｗＢ 已超 越 波音 ７８７的用量 ，达到 了 ５３％ 。
关键 词 ：复合 材料 ；机 翼 ；固定 前缘 ；蒙皮设 计 ；辅 助梁设 计 中 图分类 号 ：Ｖ２２４ 文 献标 识码 ：Ａ 文章 编号 ：１００７—９８１５（２０１８）０２—００１０—０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｃｏｍ ｐｏｓｉｔｅ Ｆｉｘｅｄ Ｌｅａｄｉｎｇ Ｅｄｇｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ａｉｒｃｒａｆｔ
ＬＵ Ｋａｉｈｕａ
（ＣＯＭＡＣ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｄｅｓｉｇｎ Ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔ ｉｔｕｔｅ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒ ｉａｌ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｉｖｉｌ ａｉｒｃｒａｆｔ ｆｏｒ ｉｔｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｆａｔｉｇｕｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ， ｃｏｒｒｏ－ ｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ， ｈｉｇｈｅｒ ｗｅｉｇｈｔ ｌｏｓｓ ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｆｒｅｅｄｏｍ． Ｔｈｅ ｆｉｘｅｄ ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ ｉｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｇ ｔｏ ｓｕｐｐｏｒ ｔ ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ ｓｌａｔ，ｓｔａｎｄ ｂｉｒｄ ｉｍｐａｃｔ ａｎｄ ｉｎｓｔａｌｌ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｘ ｌｏａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｄｉｆｉ ｃｕｌｔ ｗｈｉｃｈ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒ ｍａｎｙ ｆａｃｔｏｒｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅ－ ｓｅａｒｃｈｅｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆ ｉｘｅｄ ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｉｖｉｌ ａｉｒｃｒａｆｔ ｔｈｏｕｇｈ ｍ ａｔｅｒｉａｌ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｆｏｒｍｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏ－ ｇＹ， ｓｋｉｎ ｄｅｓｉｇｎ， ｓｐａｒ ｄｅｓｉｇｎ．
３．２ 结构 选 材
图 １ 固定前缘示意 图
２ 设计驱动
机 翼 固定 前缘 结 构 设 计 驱 动 和 设 计 考 虑 因 素 为：前缘选材 的损伤容 限许用值、维 持前缘外形 ， 承受最严 重工况 的气动力 的 同时满足 机翼 协 调变 形 要求所确定的强度 以及刚度约束、抗鸟撞设计确定 的结构 强度／刚度 要 求 、闪 电 防护 要 求 确定 的结 构 尺寸约 束 以及结 构选材 约束 、结构 防除 冰所 确定 的 结构尺寸约束与结构选材约束 、连接 区的钉孔挤压 及 紧固件强度 、压力加 油 口盖 的易维修性设计 。
使用 环境 （材 料使 用 温 度应 高 于 结 构最 高工 作 温 度 ）、力 学 性 能 （强 度 、抗 冲 击 性 、开 孔 与 充 填 孔 的拉伸 与压 缩强 度 以及 连接挤 压强 度 ）、重 量 指 标、成本 、工艺性 、耐久性 及环境保 护等要 求的 基础 上 ，考虑 固定 前 缘 的 典 型 承 载 特 性 、材 料 的 易获得性和结构 的特殊性能要求 ，选择材料性能 已得 到充 分 表征 、有 使 用 经 验 和 有 可靠 且 稳 定供 应渠道的材料 ，若选用未在结构 中使 用过的新 材 料 ，除对性能表征 和供应商 的要求外 ，应通过 足 够 的试样 、元 件 （包 括 典 型 结 构件 ） 以及 带结 构 特征 的组 合件 试验 验证 后才 能选 用 。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ； Ｗ ｉｎｇ； Ｆｉｘｅｄ ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ； Ｓｋｉｎ ｄｅｓｉｇｎ； Ｓｐａｒ ｄｅｓｉｇｎ
１ 引言 在 未来 的 ２０年 内 ，全 球 航 空 市 场 需 求 超 过
３５０００架 新 飞 机 。减 轻 飞 机 材 料 重 量 、提 高 可 靠 性 和耐 久性 、降低 制 造 和 维 护 成 本 ，是 航 空 从 业 人 员 不 断 追 求 的 目标 。复 合 材 料 ，质 轻 而 坚 硬 ， 因其优 越 的可设 计 性 、抗 疲 劳 、抗 腐蚀 性 能 而 被
民Hale Waihona Puke 飞 机 复合 材 料 机 翼 固定前 缘 结构 设 计研 究
陆 凯 华
（中国商 用飞机 有 限责任 公 司上 海飞机 设计研 究院 ，上 海 ２０１２１０）
摘 要 ：复合材料因其 良好的抗疲劳性 、抗腐蚀 性 、卓越的减重效率 以及优越的结构可设计性 ，在 民用 飞机 上 的用量 比例 逐 渐 增 多 。机 翼 固定 前 缘 作 为 机 翼 的 重 要 部 件 ，不 仅 对 前 缘 缝 翼 起 到 支 撑 作 用 ， 同 时还对抵 抗 鸟撞 、安 装 各类 系 统 发 挥 重要 作 用 ，其 设 计 要 考 虑 多 方 面 的 因素 ，具 有 较 大 的设 计 难 度 。 本文 从设计 驱 动 、材料 选取 、成 形工 艺 、蒙皮 设 计 、辅 助梁 设 计 等 方 面 来 阐 述机 翼 复 合 材 料 机 翼 固定 前 缘 结 构设计 。
机 翼 固定前 缘 是 机 翼 的重 要 部 件 ，是 指 布 置 于机 翼 前梁前 侧 、前 缘 缝 翼 后 侧 、外 翼 根 肋 至 端 肋之 间 的 固定 结 构 ， 由蒙 皮 与 支 撑 肋 组 成 ，典 型 截面为 “Ｄ”形 ，如 图 １所示 ，使用 先进复合 材 料 ，不仅可以降低 固定前缘 的重 量 ，同时可 降低 制造 维 护成本 。
作者简介 ：陆凯华 ，（１９９１一 ），毕业于南京航空航天大学 ，现就职于上海飞机设计研究院 结 构部外翼盒段室 ，任机翼 固定前缘及下壁 板 １：３ 盖 设 计 主管 ， 电子 邮箱 ：ｌｕｋａｉｈｕａ＠ ｃｏｍａｃ．ＣＣ
１０
高科 技纤维与应用
２０１８ 期
第２
肺 一ＴｅｃｈＦｉｂｅｒ ａｎｄＡ即 如ｎ ｎ
Ｓｐｅｃｉａｌ脚 ／Ｊ专题综述
逐渐应用 于国内外先进 民用飞机上。波音 ７８７飞 机复 合 材料用 量 已超 过 ５０％ ，空客从 Ａ３１０的 ５％ 复 材 用 量 比 例 到 Ａ３８０ 的 ２５％ ，最 新 研 制 的 Ａ３５ＯｘｗＢ 已超 越 波音 ７８７的用量 ，达到 了 ５３％ 。
关键 词 ：复合 材料 ；机 翼 ；固定 前缘 ；蒙皮设 计 ；辅 助梁设 计 中 图分类 号 ：Ｖ２２４ 文 献标 识码 ：Ａ 文章 编号 ：１００７—９８１５（２０１８）０２—００１０—０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｃｏｍ ｐｏｓｉｔｅ Ｆｉｘｅｄ Ｌｅａｄｉｎｇ Ｅｄｇｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ａｉｒｃｒａｆｔ
ＬＵ Ｋａｉｈｕａ
（ＣＯＭＡＣ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｄｅｓｉｇｎ Ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔ ｉｔｕｔｅ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒ ｉａｌ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｉｖｉｌ ａｉｒｃｒａｆｔ ｆｏｒ ｉｔｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｆａｔｉｇｕｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ， ｃｏｒｒｏ－ ｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ， ｈｉｇｈｅｒ ｗｅｉｇｈｔ ｌｏｓｓ ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｆｒｅｅｄｏｍ． Ｔｈｅ ｆｉｘｅｄ ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ ｉｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｇ ｔｏ ｓｕｐｐｏｒ ｔ ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ ｓｌａｔ，ｓｔａｎｄ ｂｉｒｄ ｉｍｐａｃｔ ａｎｄ ｉｎｓｔａｌｌ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｘ ｌｏａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｄｉｆｉ ｃｕｌｔ ｗｈｉｃｈ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒ ｍａｎｙ ｆａｃｔｏｒｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅ－ ｓｅａｒｃｈｅｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆ ｉｘｅｄ ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｉｖｉｌ ａｉｒｃｒａｆｔ ｔｈｏｕｇｈ ｍ ａｔｅｒｉａｌ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｆｏｒｍｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏ－ ｇＹ， ｓｋｉｎ ｄｅｓｉｇｎ， ｓｐａｒ ｄｅｓｉｇｎ．
３．２ 结构 选 材
图 １ 固定前缘示意 图
２ 设计驱动
机 翼 固定 前缘 结 构 设 计 驱 动 和 设 计 考 虑 因 素 为：前缘选材 的损伤容 限许用值、维 持前缘外形 ， 承受最严 重工况 的气动力 的 同时满足 机翼 协 调变 形 要求所确定的强度 以及刚度约束、抗鸟撞设计确定 的结构 强度／刚度 要 求 、闪 电 防护 要 求 确定 的结 构 尺寸约 束 以及结 构选材 约束 、结构 防除 冰所 确定 的 结构尺寸约束与结构选材约束 、连接 区的钉孔挤压 及 紧固件强度 、压力加 油 口盖 的易维修性设计 。
使用 环境 （材 料使 用 温 度应 高 于 结 构最 高工 作 温 度 ）、力 学 性 能 （强 度 、抗 冲 击 性 、开 孔 与 充 填 孔 的拉伸 与压 缩强 度 以及 连接挤 压强 度 ）、重 量 指 标、成本 、工艺性 、耐久性 及环境保 护等要 求的 基础 上 ，考虑 固定 前 缘 的 典 型 承 载 特 性 、材 料 的 易获得性和结构 的特殊性能要求 ，选择材料性能 已得 到充 分 表征 、有 使 用 经 验 和 有 可靠 且 稳 定供 应渠道的材料 ，若选用未在结构 中使 用过的新 材 料 ，除对性能表征 和供应商 的要求外 ，应通过 足 够 的试样 、元 件 （包 括 典 型 结 构件 ） 以及 带结 构 特征 的组 合件 试验 验证 后才 能选 用 。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ； Ｗ ｉｎｇ； Ｆｉｘｅｄ ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ； Ｓｋｉｎ ｄｅｓｉｇｎ； Ｓｐａｒ ｄｅｓｉｇｎ
１ 引言 在 未来 的 ２０年 内 ，全 球 航 空 市 场 需 求 超 过
３５０００架 新 飞 机 。减 轻 飞 机 材 料 重 量 、提 高 可 靠 性 和耐 久性 、降低 制 造 和 维 护 成 本 ，是 航 空 从 业 人 员 不 断 追 求 的 目标 。复 合 材 料 ，质 轻 而 坚 硬 ， 因其优 越 的可设 计 性 、抗 疲 劳 、抗 腐蚀 性 能 而 被