复材长桁与蒙皮脱粘试验方案概述

徐思文

【摘 要】长桁与蒙皮脱粘是飞机复材加筋壁板后屈曲时主要的失效模式之一，学术界和飞机设计单位对这一兼具学术价值和应用价值的难题，开展了大量不同层级的试验研究。本文通过文献调研，着重介绍各层级试验件结构设计方案和试验加载方案，并对比不同方案之间的差异，为复材加筋壁板后屈曲时长桁与蒙皮脱粘试验的试验方案规划提供参考。

【关键词】复材加筋壁板；后屈曲；脱粘；结构设计；加载方案

0 前言

为了减小复材加筋壁板结构的重量、提高飞机的承载能力，现代飞机设计时通常允许复材壁板在极限载荷前屈曲[1]，而为了进一步挖掘复材飞机的潜力，允许复材壁板在限制载荷前屈曲已经进入人们的视野[2]。壁板在后屈曲状态下，长桁或蒙皮的局部变形使得长桁/蒙皮界面上产生较大的“剥离应力”，引起长桁与蒙皮间脱粘[3-4]。因此，对长桁/蒙皮脱粘问题的研究成为复材加筋壁板后屈曲设计所必须攻克的难题。由于目前对于脱粘问题的有限元计算方法尚不成熟，因此大量针对这一问题的试验得以展开，用以观察脱粘现象、研究脱粘影响因素以及验证脱粘计算方法。

这些不同层级的试验构成了长桁/蒙皮脱粘的积木式试验分析体系[3-5]，如图1所示。图1中最底层材料级试验是用于材料选型的试片试验，不直接用于脱粘问题的研究。第二层非细节级试验是不考虑飞机结构细节的试片试验，通过简单的试验件设计和单一的加载方案，来研究长桁蒙皮脱粘的数值分析方法。第三层级（单元级）、第四层级（壁板级）试验考虑了具体结构细节，通常采用与实际飞机结构相同的单长桁或多长桁加筋壁板，研究结构在壁板后屈曲过程中的脱粘破坏模式和承载能力等。第五层全机级试验是为了验证全机后屈曲计算方法的正确性和承载能力。由于全机级试验昂贵并且耗时，因此大量长桁与蒙皮脱粘的试验集中于第二至第四层级试验。本文主要通过文献调研，展示并对比了第二至第四层级的试验件结构设计和试验加载方案，为复材加筋壁板后屈曲时长桁蒙皮脱粘研究试验方案提供参考。

1 非细节级试验方案

非细节级试验不考虑飞机壁板结构细节，也不模拟壁板结构实际受载情况，主要是为了研究长桁蒙皮脱粘的数值分析方法。因此，试验件结构简洁，加载方案单一明确。

下图 2所示为该级试验的典型结构形式[1-7]，通常为长度200mm、宽度30mm左右的试片，蒙皮设计为复材平板，长桁仅考虑凸缘部分。由于试验件较为简单，因此结构设计上通常会改变若干结构设计参数，便于结果的分析对比和对数值分析方法的研究验证，如图 2即考虑了长桁凸缘倒角的影响。

下图 3和图 4所示为非细节级脱粘试验的三种典型加载方案。其中图 3所示为轴向拉伸加载方案，夹具与试件长度方向两端相连，施加拉伸载荷。图 4为考虑弯矩作用下长桁蒙皮脱粘的三点弯和四点弯加载方案，两个简支约束点位于试验件下方，仅约束重力方向的试验件位移，加载点位于试验件上方，其中四点弯试验方案由于设置了两个加载点，对试验件长度方向上弯矩分布的模拟调节更为灵活。此外，文献[6]还介绍了拉伸-弯曲组合载荷作用下的脱粘试验方案，但组合载荷下脱粘试验多数在下文细节级试验中展开，非细节级试验仍然以单一载荷脱粘试验为主。

3 单元级试验方案

单元级试验考虑了飞机壁板结构细节，加载方案上也试图模拟壁板实际受载情况，主要是为了研究一些结构细节参数（蒙皮厚度、长桁自由边倒角等）对壁板后屈曲时长桁蒙皮脱粘强度的影响，并研究探讨数值模拟方法。

单元级试验的试验件通常采用单长桁加筋平板结构，试验件的尺寸除了需要考虑飞机壁板的长桁、蒙皮实际尺寸以外，也与加载方案直接相关。通常可分为两类，一类是长桁长度方向受载情况相同，此时长桁长度方向尺寸设计与非细节级试验类似，没有具体的限制，通常30mm左右，如下图 5c所示；另一类是长桁长度方向受载情况不同，此时长桁长度方向尺寸设计依赖于具体加载方案，一般在100mm量级，如下图 5b所示。

单元级试验加载方案除了要考虑对壁板实际载荷的模拟情况，也会受到长桁类型的限制。根据不同试验方案对载荷的模拟情况，单元级试验加载方案也可分成两类：一类对应上图 5c所示的试验件结构方案，加载方案着重模拟（长桁与蒙皮界面或壁板所承受的）单一或组合的载荷类型，通常施加了多少载荷是试验前设定或者可以工程推算的；第二类对应上图 5b所示的试验件结构方案，加载方案通过模拟壁板后屈曲变形，来模拟长桁蒙皮后屈曲脱粘时的实际受载情况，这种情况下试验件实际承受的载荷大小是无法根据试验加载情况工程推算的。

第一类的加载方案主要有三种，分别为模拟单一载荷的拉脱加载方案[9-11]和四点弯加载方案[8]，以及模拟组合加载方案的拉伸-弯曲加载方案[14]。下图 5所示为拉脱试验加载方案，模拟壁板后屈曲时长桁与蒙皮界面的面外拉脱载荷，加载点位于T型长桁立筋处[9-10]（或帽型长桁的帽顶内部[11]），两侧各一个约束点，约束点可能为简支或固支，两种约束方式的优劣尚无定论，但简支可以避免试验件在约束点发生破坏[9]。四点弯[8]试验加载方案与非细节级四点弯[3]试验加载方案相同，用于模拟壁板后屈曲时弯矩作用下的长桁与蒙皮脱粘，只不过单元级试验中长桁常采用与实际飞机长桁结构一致的结构形式。下图 7所示为拉伸-弯曲组合加载方案[12]，该方案中长桁位置固定，夹具夹住蒙皮两端，模拟施加壁板后屈曲时承受的轴力和弯矩的组合载荷。同样为了模拟壁板后屈曲时承受的载荷，文献[13]采用与图 7类似的加载方案，但作者似乎认为壁板后屈曲时蒙皮的拉伸载荷不存在或者对脱粘不重要，因而没有施加蒙皮拉伸载荷。

第二类的加载方案主要有两种，分别为单元级三点弯[8-14]和七点弯[15-17]加载方案。下图 8所示为（单元级）三点弯加载方案示意图，试验件两端简支约束，加载点位于试件中部两侧的蒙皮上，通过试件中部蒙皮的变形来模拟帽型长桁加筋壁板的屈曲变形。三点弯试验方案适用于帽型长桁试验件，而对于T型长桁试验件，常用下图 9所示的七點弯加载方案[16]，该方案在试验件下部设置五个支撑点，上部设置两个加载点，在两侧加载点对应位置处的蒙皮上产生两个压窝，模拟壁板的局部屈曲变形。现有文献调研表明，七点弯试验方案目前未见应用于帽型长桁试验件，本文认为这是由于试件下部中间位置支撑点载荷较大[16]，若作用于帽型长桁试验件，该支撑点处蒙皮在没有长桁支持的情况下可能会先于长桁/蒙皮脱粘前破坏。

4 壁板級试验方案

由于非细节级和单元级试验的试验件尺寸较小，难以设置和衡量损伤缺陷对壁板后屈曲时长桁蒙皮脱粘的影响，且依据这两层级试验结果研究得到的数值模拟方法也不能直接用于真实飞机壁板后屈曲时的脱粘分析。因此，有必要采用带损伤缺陷的单长桁或多长桁壁板试验件开展壁板级试验，研究损伤缺陷对壁板后屈曲时长桁蒙皮脱粘的影响，并对数值模拟方法进行验证。

壁板级试验采用单长桁[18-20]或多长桁[21-27]加筋壁板试验件，虽然多长桁加筋壁板试验件更能反映后屈曲过程中壁板变形与破坏之间的非线性耦合关系，但这种复杂的耦合关系也给分析带来了困难，文献[20]即认为采用单长桁试验件能够反映完整壁板的屈曲变形和整体应力分布，同时降低数值分析的难度。多长桁壁板试验件的长桁距按照实际飞机壁板的长桁间距，长桁方向的试件长度则参照飞机实际框间距，试件大多采用无曲率的平直壁板。

壁板级试验的加载方案通常为长桁轴向纯压加载，试件两端可通过树脂和铝粉[20]或者其它材料的粘结剂固定于端部盒子里，以保证压力加载均匀，如图 11所示。

5 结论

长桁/蒙皮脱粘是复材加筋壁板后屈曲设计时所必须攻克的难题，对该问题的大量试验研究，构成了长桁/蒙皮脱粘的积木式试验分析体系。本文通过文献调研，重点展示了积木式试验中第二至第四层级的试验件结构设计和试验加载方案，对比分析了它们的设计原则和特点，为复材加筋壁板后屈曲时长桁蒙皮脱粘研究的试验方案提供参考。

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[责任编辑：朱丽娜]