复合材料机翼整体油箱密封变形分析

复合材料机翼整体油箱密封变形分析

王盼

中航西安飞机工业集团股份有限公司    陕西西安  710000

摘要：

近年来，大多数国外飞机已广泛采用整体油箱技术，而国内第四代战斗机亦开始跟进这一趋势。在大型载人飞机的设计中，整体油箱通常由高质量的铝合金或钛合金材料打造，其结构由多个精密密封部件构成。将机翼整体油箱应用于飞机上，不仅能显著提升飞机的燃料存储容量，从而延长飞行时长，还能有效减轻飞机结构的整体重量，进一步优化飞行性能。这一技术不仅是飞机制造领域的一项重要革新，更是现代飞机设计不可或缺的一部分。而复合材料的应用比例则是新一代大飞机安全性、经济性、舒适性和环保性的重要指标。

关键词：复合材料；机翼整体油箱；密封变形

现代高性能飞机往往充分利用其结构空间作为整体油箱。因此，合理设计整体油箱结构不仅是飞机结构不可或缺的一部分，还能显著提升飞机的易用性和可维护性，从而为操作人员带来最大的经济效益。

一、复合材料的特点

1.高强度和刚度。这是决定结构是否可靠和减轻重量的重要指标，碳纤维凭借其高强度、高刚度以及低密度的特点，被广泛应用于飞机结构件的制造，例如机身、机翼以及尾翼等关键部件。相较于传统的金属材料，碳纤维材料能够显著降低飞机的整体重量，进而提升燃油效率及飞行表现。

2.各向异性和强可设计性。复合材料的结构、力学、机械性能、热性能、噪声控制、耐腐蚀性以及抗老化性能均得到了极大优化，以确保它们能够最大程度地适应各种部件所处的环境条件。在材料选择上，可以精准匹配各部件的特定需求，并紧密贴合既定的设计目标。值得注意的是，单向带展现出了显著的正交不对称性，其性能与纤维方向紧密相关，垂直纤维方向的性能与纤维本身性能存在显著差异。为了满足不同方向上的性能要求，我们可以灵活调整单向带在不同方向上的比例配置。

3.良好的抗疲劳强度。一般来说，复合材料具有良好的抗疲劳强度，尤以拉伸强度方面表现突出。由于其内部纤维结构为多通传力方式，因此裂缝难以轻易延伸扩展。相较于金属，复合材料的疲劳断裂灵敏度更低，其疲劳断裂系数小于并联数，且在相同条件下，复合材料的使用寿命显著长于金属。

4.复杂部件的整体成型。复合材料热固化设计和集成制造的先决条件，有利于生产大型复杂的复合材料。通过实现零件整体成型并直接交付产品装配过程，可以有效减少后续加工过程的相应紧固件及过渡区域的重量，提高了设计的安全性和可靠性，大大降低了生产和装配成本，且避免了装配质量问题。减少零件和连接紧固件的数量，也大大减轻了结构的重量。

5.尺寸稳定性良好。飞机结构中的碳纤维结构热胀系数较低，受温度变化的影响小于金属材料，能始终保持其形状和尺寸的稳定性。但是，复合材料的结构中存在一些缺陷会影响复合材料在机翼上的应用。

6.低层间强度，冲击韧性差。复合材料的结构性能的内部特性明显低于金属材料，较小的破坏强度也会导致低能层下的结构损伤，降低复合结构的承载能力。

7.受环境因素的影响较为显著。化学物质对环境变化很敏感。当温度和湿度超过环境温度时，高温和湿度会降低复合材料的强度和硬度，因此必须考虑湿度和湿度的综合影响。

二、整体油箱的特点

现代高性能飞机普遍采用机翼内部结构作为集成式油箱，旨在扩大燃油存储容量，延长飞行续航时间和航程，显著提升飞机的飞行效能。整体油箱设计理念在当代飞机制造中得到了广泛的采纳与应用，机身及尾部等其他关键部位也逐渐采纳这一技术，与以前的软油箱结构相比，整体油箱装油大，残余流量小，可靠性高，使用寿命长。整体油箱将在新飞机中广泛使用。尽管部分飞机仍采用软油箱，但现代飞机的趋势是越来越多地运用整体油箱来取代软油箱。整体油箱的广泛应用已成为提升飞行性能、减轻飞机结构重量的有效手段。

三、基于密封变形机理分析

1.分析缝外边缘变形。结构的最终模型采用有限元模型结构模型(长2000mm，宽500mm，高150mm)，盒段被翼肋分割为三个结构，上下蒙皮各四根桁条。工字型梁桁条腹板高度30 mm，缘条20 mm，厚度3 mm，整体图1，桁条图2。

图1简化盒段结构的整体油箱模型

图2桁条结构示意图

整体油箱结构是机翼的主要受力部件，其在机翼翼根存在最大受力载荷。此外，由于油箱压力供油，该区域的结构元件不仅承受整个机翼的载荷，还承受燃油供压压力。通过对有限元中的压力作用进行分析，并结合不稳定性条件下的压力与密封变形的参数，在此基础上，液压压力从0.065 MPa增加到0.0975 MPa，临界变形载荷恒定，盒段变形主要取决于受载弯矩，油压载荷对变形值影响不大，即线性分布力为x=2000mm，受力为420N/mm。在油压载荷作用下，密封变形受铆钉边距、排距的影响，整体油箱存在向外变形四面趋势。前后梁、翼肋铆钉等连接件限制蒙皮外部变形。因此，连接载荷受油压的影响，在这种情况下，连接载荷主要取决于铆钉所承受拉伸载荷。

2.分析油箱缝外密封变形模型。基于模型的简化设计和有限元分析的结果，从密封变形中取蒙皮变形横断截面和特性，忽略平面二维效应蒙皮和梁腹板，引入结构对称性。将整体油箱简化为梁结构、梁单元模型，模拟蒙皮的弯曲变形。左端用蒙皮的弯曲连接到一小段水平梁元，模拟连接紧固件，右端自由挠度，但角度和轴向运动为零。垂直梁单元模拟梁腹板变化，而垂直梁单元包含模拟梁缘条的小水平梁单元。水平梁连接到左侧梁元，其中转角和轴向位移约束为零。简化了梁模型的理论分析，通过上述有限元分析，初步确定了密封变形对连接参数的影响，但是，由于盒段结构物理变形的复杂性，有限元模型无法完全分析影响密封变形的因素。

本文介绍了机翼整体油箱设计，建立了一个简单的模型，分析了机翼整体油箱的密封和变化规律。复合材料机翼的整体结构设计包括总体定位、梁、桁条构型，盒段刚度和强度以及结构重量的有效控制。基于此模型，研究了受载、油压对变形参数关系的影响。对蒙皮、梁缘条建模进行了验证。

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