摘要：某民用飞机方向舵U形梁采用复合材料制造，约长2米，变截面并带理论外形，零件腹板部分主体为平面，包含台阶面，侧面与壁板外形一致，装配要求高。此U形梁在制造过程中发现腹板出现一定的曲度，影响了后续的装配。本论文从设计角度出发，对U形梁的铺层角度进行研究与优化，并给出通过强度分析进行了固化模拟分析。
关键词：复合材料；U形梁；设计优化；固化模拟
引言
复合材料飞机结构设计是以实现高结构效率和改善飞机气动弹性与隐身等综合性能为目标的高新技术。先进复合材料的应用，对飞机结构轻质化、小型化和高性能化起着至关重要的作用。某民用飞机方向舵结构采用大量复合材料结构设计制造。方向舵主要由梁、墙、前肋和后肋以及壁板等组成。其中，U形梁在固化后出现了翘曲变形。本文对其原有铺层进行设计优化，并进行了固化模拟分析，为制造工艺提供更为合理的参考方案。
1 复合材料U形梁概述
1.1 结构形式
方向舵梁参数如图1所示，采用U形整体碳纤维复合材料结构，是主要的纵向受力构件。梁缘条为层压板结构，单独与壁板连接处宽度为24.3mm，厚度为2.43mm，梁的稍部高为260mm，梁的根部高为282mm，梁长为3960mm。根据U形梁铺层变化而引起的厚度变化，将梁划分区域1到区域5几个部分进行分析。
图1
1.2材料选择
方向舵梁采用的是T300/941碳纤维树脂基复合材料体系，分别为145级单向带，190级单向带和3K-70-PW织物。其0°的拉伸模量为125Gpa，压缩模量为113Gpa，90°拉伸膜量为6.9Gpa。在本论文中泊松比取自美军标的0.31。0°方向的热膨胀系数和90°方向的热膨胀系数分别取美军标的1.3E-007和-4.05E-005.
2 铺层设计优化与分析
方向舵U形梁的原始铺层和优化铺层见图2。将梁结构根据不同厚度区域分为腹板，上缘条和下缘条进行分析。铺层角度共有0，90，45三种形式。
图2
3 固化模拟
将材料信息，铺层信息及固化参数输入软件进行模拟，设定材料、空气及工装的初始温度为30℃，采用3℃/min的升温速率升温至固化温度180℃，保温2h后，以-3℃/min的速率进行降温。由于零件四周有工装及真空袋封装，因此设定为固定边界条件。
树脂流动模块：结构件内表面固定，外表面施加热压罐压力，树脂只能由上表面流向吸胶膜，其他面因为真空袋的密封作用，没有树脂流出。建模见图3。
图4
结束语
本论文根据复合材料设计要求对原U形梁复合材料铺层设计进行优化，尽量采用角度对称与结构对称的原则，避免固化成型过程中零件出现翘曲；同时，对优化方案进行强度校核，对比优化前后零件强度的变化；最后，应用PASTRON软件输入材料信息，零件几何信息以及固化参数等信息对优化后的铺层设计进行固化模拟，验证其合理性。结论如下：
1. 原始方案最大纵向弯曲值为4.68mm，优化方案为5.36mm，原始方案优于优化方案（需要根据实际固化后贴合面修正约束）；
2.优化方案铺层下，结构固化过程中发生弯扭耦合变形，原始方案未发生耦合变形现象，原始方案优于优化方案；
3.在原始方案铺层下，结构固化仿真中，确实发生腹板翘曲现象，但翘曲值非常小，为0.14mm。1.25倍行距
参考文献：
[1]杨乃宾、章怡宁编著，复合材料飞机结构设计，航空工业出版社，2002年
论文作者:彭春雨1,陈琦2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第33期
论文发表时间:2019/2/23
标签：复合材料论文; 方向舵论文; 方案论文; 结构论文; 腹板论文; 飞机论文; 壁板论文; 《防护工程》2018年第33期论文;