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【摘 要】复合材料均匀格栅壁板结构在几何形式上具有较好的拓扑优化性，对于相同重量的结构，截面惯性矩大，抗弯、抗屈曲性能良好，结构效率高。本文主要介绍了复合材料均匀中空格栅壁板结构，重点讲述了均匀中空壁板结构的设计难点-格栅部位的细节设计思路，文中最后对本文中均匀中空壁板结构的设计方法优缺点进行了总结，提出了复合材料均匀中空格栅壁板结构的研究发展方向。
【关键词】复合材料;均匀中空格栅壁板;拓扑优化;惯性矩
引言
在航空制造领域，复合材料结构以其优异的比刚度、比强度性能优势，比较高的可设计性，在民用航空器上应用也越来越广泛。波音787、空客A350XW等航线飞机，复合材料结构应用占全机结构重量比例在50%以上;而通用飞机领域则出现了不少全复合材料飞机。
复合材料格栅结构[1]在几何形式上具有较好的拓扑优化性，对于相同重量的结构，截面惯性矩大[2]，抗弯、抗屈曲性能良好，其加强筋具有较高的法向高度，能获取更高的结构效率。比较适合用于筒状机身壁板、发动机短舱壁板、翼面蒙皮壁板、地板壁板、承压框壁板等结构。
通过对比发现，“A”形加筋结构在承受组合外载方面具有优良的性能，可以保证在复杂应力状态下具有很高的结构效率[3]。同时，“A”形加筋结构具有由多个部分组成，可以满足多路载荷传递路径要求，结构本身具有天然的损伤容限性能[4]。根据美国 N ASA 报告[5]，在特定的载荷区间内，“A”形加筋结构对比层压板等其他结构有20%左右的重量节省，具有很好的减重效果。
1、结构概述
复合材料均匀格栅壁板结构是由“A”形截面加强筋正交构成的格栅壁板结构。图1所示为某型飞机翼面壁板，为典型均匀中空格栅壁板结构，结构由外侧蒙皮、内侧蒙皮、单向带加强铺层构成。其中内侧蒙皮，即壁板格栅系统由沿展向、弦向正交布置的“A”形截面加强筋构成，为壁板提供足够的强度和刚度，使壁板可以承担轴向和横向载荷。壁板在典型开口区局部加强。
“A”形截面加强筋内侧顶部布置纤维连续单向带以增强格栅结构的刚度和稳定性。“A”形截面加强筋末端斜坡过渡，减少筋条端部区域应力突变。
图1 复合材料均匀中空格栅壁板结构
2、材料选择
飞机复合材料的材料选择应以结构安全性、经济性、减重的实现为总目标，同时以满足结构设计指标和工艺要求为依据。
本文中复合材料均匀中空格栅壁板结构。主选碳纤维增强复合材料（CFRP），外侧蒙皮、内侧蒙皮优先选择具有较好铺覆性的碳纤维织物预浸料材料，结构增强则建议选择单向带预浸料增强。
3、工艺方法
本文中复合材料均匀中空格栅壁板结构主要采用手工铺贴、热压罐固化工艺方法。
a） 外侧蒙皮、内侧蒙皮分别进行铺贴、预固化，形成预成型件;
b） 外侧蒙皮预成型件、内侧蒙皮预成型件胶接并进行二次固化，最终形成均匀中空格栅壁板结构。
4、格栅设计
格栅设计是复合材料均匀中空格栅壁板结构的重点也是其中的难点，同时格栅也是壁板制造过程中最复杂、最难处理的部位。格栅设计关键在于格栅铺层的设计。
以图1为例，格栅壁板展向、弦向“A”形加强筋交接处存在铺层不可展开的问题。即实际铺层铺贴时，格栅区域需要采取开剪口等将纤维打断的措施，完成铺贴。剪口等对结构造成的削弱，需要设计人员在设计中进行考虑，对结构进行局部加强。
格栅结构的最大优势即加强筋的纤维尽可能保持直线，且纤维连续。且“A”形截面加强筋顶部高度最大，对加强筋顶部进行加强，结构效率最高，对提高结构的刚度和稳定性贡献也最大。对于复合材料均匀中空格栅壁板结构，保证“A”形截面加强筋顶部纤维连续为设计要考虑的基本原则。
本文对格栅的设计包括格栅剪口位置（见图2a）、剪口区补强（见图2b）等。内蒙皮在如图2a所示区域开设剪口，且保证“A”形截面加强筋顶部纤维连续。剪口区使用碳纤维织物预浸料铺层填补，且沿加强筋方向用单向带预浸料铺层进行局部加强，铺层补强见图2b。
图2 格栅设计
5、结论
复合材料均匀中空格栅壁板结构具有：截面惯性矩大，抗弯、抗屈曲性能良好，重量轻，结构效率高等优点。美中不足的是，本文中的格栅设计存在部分格栅纤维不连续的问题，未能将格栅结构的性能优势完全发挥出来。国外已有采用三维编织、模塑成型等先进工艺、选用热塑性材料等方法提高复合材料均勻中空格栅壁板结构的性能。
参考文献：
[1] 牛春匀.实用飞机复合材料结构设计[M].北京：航空工业出版社，2010，522～527
[2] 杜善义，章继峰，张博明.先进复合材料格栅结构 （ AGS） 应用与研究进展[J].航空学报，2007，28（2）;419～424.
[3] Rene Kramer，Alexander Roth M.Experimental and numerical analysis of hollow and foam -filled A-stringer/A-former under axial compression load and bending moment[J].Journal of Sandwich Structures and Materials，2007，9（2）：197.
[4] Brian G Falzon.The Behavior of Damage Tolerant Hat—stiffened Composite Panels Loaded in Uniaxial Compression[J].Composites：Part A，2001，32：1255～1262.
[5] Ambur D R.Design and Evaluation of a Foam—filled Hat stiffened Panel Concept for Aircraft Primary Structure Applications[R ].NASA Technical Memorandum 109175，1995.
作者简介：张东伟（1984），男，中航通飞研究院，工程师，复合材料结构设计。
【关键词】复合材料;均匀中空格栅壁板;拓扑优化;惯性矩
引言
在航空制造领域，复合材料结构以其优异的比刚度、比强度性能优势，比较高的可设计性，在民用航空器上应用也越来越广泛。波音787、空客A350XW等航线飞机，复合材料结构应用占全机结构重量比例在50%以上;而通用飞机领域则出现了不少全复合材料飞机。
复合材料格栅结构[1]在几何形式上具有较好的拓扑优化性，对于相同重量的结构，截面惯性矩大[2]，抗弯、抗屈曲性能良好，其加强筋具有较高的法向高度，能获取更高的结构效率。比较适合用于筒状机身壁板、发动机短舱壁板、翼面蒙皮壁板、地板壁板、承压框壁板等结构。
通过对比发现，“A”形加筋结构在承受组合外载方面具有优良的性能，可以保证在复杂应力状态下具有很高的结构效率[3]。同时，“A”形加筋结构具有由多个部分组成，可以满足多路载荷传递路径要求，结构本身具有天然的损伤容限性能[4]。根据美国 N ASA 报告[5]，在特定的载荷区间内，“A”形加筋结构对比层压板等其他结构有20%左右的重量节省，具有很好的减重效果。
1、结构概述
复合材料均匀格栅壁板结构是由“A”形截面加强筋正交构成的格栅壁板结构。图1所示为某型飞机翼面壁板，为典型均匀中空格栅壁板结构，结构由外侧蒙皮、内侧蒙皮、单向带加强铺层构成。其中内侧蒙皮，即壁板格栅系统由沿展向、弦向正交布置的“A”形截面加强筋构成，为壁板提供足够的强度和刚度，使壁板可以承担轴向和横向载荷。壁板在典型开口区局部加强。
“A”形截面加强筋内侧顶部布置纤维连续单向带以增强格栅结构的刚度和稳定性。“A”形截面加强筋末端斜坡过渡，减少筋条端部区域应力突变。
图1 复合材料均匀中空格栅壁板结构
2、材料选择
飞机复合材料的材料选择应以结构安全性、经济性、减重的实现为总目标，同时以满足结构设计指标和工艺要求为依据。
本文中复合材料均匀中空格栅壁板结构。主选碳纤维增强复合材料（CFRP），外侧蒙皮、内侧蒙皮优先选择具有较好铺覆性的碳纤维织物预浸料材料，结构增强则建议选择单向带预浸料增强。
3、工艺方法
本文中复合材料均匀中空格栅壁板结构主要采用手工铺贴、热压罐固化工艺方法。
a） 外侧蒙皮、内侧蒙皮分别进行铺贴、预固化，形成预成型件;
b） 外侧蒙皮预成型件、内侧蒙皮预成型件胶接并进行二次固化，最终形成均匀中空格栅壁板结构。
4、格栅设计
格栅设计是复合材料均匀中空格栅壁板结构的重点也是其中的难点，同时格栅也是壁板制造过程中最复杂、最难处理的部位。格栅设计关键在于格栅铺层的设计。
以图1为例，格栅壁板展向、弦向“A”形加强筋交接处存在铺层不可展开的问题。即实际铺层铺贴时，格栅区域需要采取开剪口等将纤维打断的措施，完成铺贴。剪口等对结构造成的削弱，需要设计人员在设计中进行考虑，对结构进行局部加强。
格栅结构的最大优势即加强筋的纤维尽可能保持直线，且纤维连续。且“A”形截面加强筋顶部高度最大，对加强筋顶部进行加强，结构效率最高，对提高结构的刚度和稳定性贡献也最大。对于复合材料均匀中空格栅壁板结构，保证“A”形截面加强筋顶部纤维连续为设计要考虑的基本原则。
本文对格栅的设计包括格栅剪口位置（见图2a）、剪口区补强（见图2b）等。内蒙皮在如图2a所示区域开设剪口，且保证“A”形截面加强筋顶部纤维连续。剪口区使用碳纤维织物预浸料铺层填补，且沿加强筋方向用单向带预浸料铺层进行局部加强，铺层补强见图2b。
图2 格栅设计
5、结论
复合材料均匀中空格栅壁板结构具有：截面惯性矩大，抗弯、抗屈曲性能良好，重量轻，结构效率高等优点。美中不足的是，本文中的格栅设计存在部分格栅纤维不连续的问题，未能将格栅结构的性能优势完全发挥出来。国外已有采用三维编织、模塑成型等先进工艺、选用热塑性材料等方法提高复合材料均勻中空格栅壁板结构的性能。
参考文献：
[1] 牛春匀.实用飞机复合材料结构设计[M].北京：航空工业出版社，2010，522～527
[2] 杜善义，章继峰，张博明.先进复合材料格栅结构 （ AGS） 应用与研究进展[J].航空学报，2007，28（2）;419～424.
[3] Rene Kramer，Alexander Roth M.Experimental and numerical analysis of hollow and foam -filled A-stringer/A-former under axial compression load and bending moment[J].Journal of Sandwich Structures and Materials，2007，9（2）：197.
[4] Brian G Falzon.The Behavior of Damage Tolerant Hat—stiffened Composite Panels Loaded in Uniaxial Compression[J].Composites：Part A，2001，32：1255～1262.
[5] Ambur D R.Design and Evaluation of a Foam—filled Hat stiffened Panel Concept for Aircraft Primary Structure Applications[R ].NASA Technical Memorandum 109175，1995.
作者简介：张东伟（1984），男，中航通飞研究院，工程师，复合材料结构设计。