复合材料斜交网格机身结构

张成

摘 要：该文介绍了斜交网格结构，包括这种结构的诞生、特点和发展历史。回顾了民用飞机机身典型的结构形式，对刚架结构、硬壳式结构、半硬壳式机身结构形式作了简要介绍和分析。论述了斜交网格结构在航天和航空领域的应用情况，以及目前国际上运用复合材料斜交网格结构所取得的进展。将复合材料斜交网格结构与传统结构进行了对比分析，给出了复合材料斜交网格结构所具有的潜在结构优势。最后在对比分析的基础上，对这种结构在复合材料机身上的应用前景进行了探讨。

关键词：机身 结构形式 斜交网格 复合材料

中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（b）-0009-02

在建筑业，金属钢架结构在19世纪末20世纪初大量涌现，如法国埃菲尔铁塔，俄国舒霍夫塔等。在这些建筑结构中，舒霍夫塔结构这种与众不同的双曲结构形式，不但在建筑领域广泛采用，还进入了航天和航空领域并大放异彩。并且随着历史的发展，某些早期结构在飞机上不再流行时，双曲结构却随着复合材料的应用，而表现出了一定的结构生命力。

1 斜交网格结构的诞生

1896年在全俄罗斯展览会水塔建造时，弗拉基米尔·舒霍夫采用了一种斜交双曲网格结构，如图1所示。这种斜交网格结构的力学稳定性非常好，虽然是双曲结构但由于是直母线旋绕构成，可以采用直梁建造。这种结构被广泛应用于水塔、冷却塔、灯塔等建筑，采用这种斜交网格结构的双曲塔建筑被俄罗斯人称为舒霍夫塔[1]。

2 常见机身结构

早期飞机结构主要有刚架结构和硬壳式结构，刚架结构如图2所示，这种结构由端头互相连接的杆系构成三角形单元构成，外力作用于结构后，杆元只承受拉压载荷。这种结构在桥梁的运用上非常广泛。早期的飞机机身结构曾经大量采用这种结构形式，以刚架结构包覆蒙布。现代的很多轻型飞机机身仍在采用，某些飞机为了具有更好的空气动力学性能或美学流线性而附加使用了长桁结构。另一种早期飞机的结构是硬壳式结构，如图3所示，硬壳式结构类似于鸡蛋，载荷主要由外部蒙皮承担，这样的蒙皮称为结构性蒙皮。这种技术也被称为一体成型技术，在赛车上广泛应用，在飞机上主要应用在预装配运动型飞机和滑翔机上，如图3所示。初期飞机机身应用这种结构是使用层合板，后期使用玻纤复合材料。这种结构是刚性骨架结构的另一个极端，主承载元件由刚架转移到了蒙皮。

目前广泛采用的飞机机身结构是半硬壳式结构，如图4所示，这种结构也称为应力蒙皮结构，这种结构由铝合金横向结构框和纵向结构长桁构成骨架，外部铆接铝合金蒙皮，形成“蒙皮-长桁-框”结构形式。这种结构中蒙皮主要承受拉伸和剪切载荷，其它载荷由骨架承担。这种半硬壳式结构的出现与铝合金在飞机结构上的大量应用，以及增压机身的需求都有关系。

3 斜交网格结构机身结构

二战前期英国人Barnes Wallis在飞艇上发展了这种结构，并称之为“geodetic”结构，它的数学描述是曲面上的最短距离路径，其后续雇主公司Vickers-Armstrongs将其用在一系列的轰炸机上，如Wellesley，Wellington， Warwick， Windsor等，如图5所示，这些飞机在二战中成了主力机型。由于这种飞机结构的强度表现优异，与前述的刚架结构早期飞机不同，可以不再依赖内部支持结构，从而使内部空间得到更有效利用，并且比硬壳式层合板结构要轻。在与双翼机的对比试验中，发现单翼的强度足以满足要求，从此双翼设计不再成为主流。后来，由于航空领域高空高速和增压机身的需求，以及加工难度较大，该结构被放弃。

在航天领域，从斜交网格结构在俄罗斯诞生之日起，俄罗斯就做了大量研究和运用，如运载火箭、导弹等等。俄罗斯特种机器中央研究院目前已经开发出了直径4 m，长度8 m，承轴压600 kN/m的桶状复合材料结构，如图6所示。这种复合材料结构国内称为格栅结构[2]。

在民航领域，俄罗斯特种机器中央研究院采用斜交网格和蒙皮用碳纤维丝素缠绕一次成型技术开发了复合材料机身，如图7所示。这种结构突破了传统复合材料结构如层合板的诸多力学弱点和限制，如准各向同性层合板在试验中表现出的拉伸强度受树脂限制（图8），实用挤压强度低（图9），冲击后承压能力下降等现象[3]。虽然复合材料斜交网格机身应用目前仍处于试验阶段，但已经表现出相当的结构优势。

4 与蒙皮-长桁-框结构比较

当前主流的民机机身结构还是“蒙皮-长桁-框”结构形式，这种结构形式充分发挥了金属材料的优势，这种结构也被称为半硬壳式结构。在目前复合材料机身的设计上，基本上仍是延用“蒙皮-长桁-框”结构形式。在这种结构形式下，复合材料不能完全发挥出材料优势，此时复合材料也被称为“黑金属”。[4] 而其笔者经历的某型飞机在翼身整流罩运用复合材料层合板时，还发现为了满足刚度和耐冲击要求需要增加铺层厚度而无法实现预期减重目标的情况，最后决定采用蜂窝夹芯结构。

和蒙皮-长桁-框结构不同，复合材料斜交网格结构是以斜交网格而非蒙皮作为主承载结构，蒙皮损伤不会导致结构失效。虽然现在还不能说应用复合材料斜交网格结构一定优于“蒙皮-长桁-框”结构形式，但从新材料应使用新结构形式角度来讲，这是一种积极探索。

5 结论

斜交网格结构诞生在建筑领域，但由于优异的结构效率而进入航天航空领域。虽然各国对其均有一定研究和应用，但俄罗斯在斜交网格结构上的应用最为成功，因而这种结构也被俄罗斯国外称为“俄罗斯各向异性网格结构”。虽然目前在民航飞机机身结构上的应用还有待进一步的验证，但随着研究的深入和复合材料技术的进步，这种结构在民航领域可能再度表现出较高的应用价值和前景，我们在做复合材料机身结构研究时应对其开展进一步研究，而不要局限于“蒙皮-长桁-框”结构形式。

参考文献

[1] wikipedia [EO/OB] http：//en.wikipedia.org/wiki/Vladimir_Shukhov，2014-08-03.

[2] 杨乃宾，章怡宁.复合材料飞机结构设计[M].北京：航空工业出版社，2002：130.

[3] V.V.Vasiliev，A.F.Razin，development of geodesic composite aircraft structures [C].ICAS 2012.

[4] A.Shanygin， V.Fomin， designing pro-composite aircraft concepts and layouts to maximize potential benefits of high specific strength of CFRP [C].ICAS 2012.endprint