洞察：客机复合材料舵面结构的有限元分析

宝颜制造

舵面是操纵飞机的部件，包括方向舵、升降舵和副翼。舵面功能主要是保证飞机横向和纵向的平衡，以及现飞行员对飞机横向和纵向的操纵，其通过两点或多点分别悬挂在水平安定面、垂直安定面、机翼上。主要外载荷为偏转气动载荷。气动载荷产生的剪力通过悬挂接头以集中力的形式传给安定而或机翼图，气动载荷相对于转轴的力矩由操纵臂上的操纵力与悬挂接头的支反力构成的力矩平衡。有限元分析公司的相关资讯可以到我们网站了解一下，从专业角度出发为您解答相关问题，给您优质的服务！http://www.nataid.com/

随着先进复合材料技术的不断发展和成熟，复合材料在民机上的应用程度进入了前所未有的阶段。波音、空客等空中巨头争先在先进飞机中使用复合材料，以达到减轻结构重量，降低运营成本，提高舒适性等目的。舵面作为控制飞行姿态的重要结构，在当今民机中大多是采用全复合材料，因此在民机舵面设计中，复合材料的静强度校核是比较基础也是比较重要的一节。对于飞机结构设计者来说，首先必须考虑的问题就是结构的有限元分析。

复合材料静强度的设计要求包括：

(1)按许用应变设计的复合材料结构，一般应按使用载荷设计、按设计载荷校核，其中工作应变取主应变。

(2)结构强度计算用的许用值，分为使用许用值和设计许用值，分别对应于比较大使用载荷和比较大设计载荷。

(3)复合材料结构安全系数取自现行的强度规范和专门为型号指定的强度计算原则。

(4)强度计算时一般应采用蔡-胡(TW)失效判据。

(5)复合材料的力学性能受温度影响较大，因此当结构使用温度范围很宽或复合材料性能在不同温度下变化很大时，应力分析性能数据可以按结构使用温度划分温度区间，材料弹性常数取相应温度区间内的平均值，强度计算用相应区间的许用值。而选取相应温度区间各飞行情况中的比较大使用载荷作为设计载荷，同时取相应温度区间的许用值进行强度计算。

本课题静强度校模型是国内某型号支线客机的舵面，主要针对蒙皮、肋、梁等复合材料的静强度校核，同时也对3片铝合金耳片和铝合金操作杆进行分析。

本课题的研究对象是某型支线飞机的复合材料方向舵结构，采用的是单梁式结构，其主要元件有前梁、后墙、肋、端肋、蒙皮、调整片、操纵杆等，舵面的宽约11，高3。该舵面结构的纵向元件是由前梁和后墙构成，横向元件由7根盒段肋和9根前缘肋构成。舵面后缘下端有调整片，通过铰链与舵面后墙连接，由调整片和操纵杆操纵。肋、梁和蒙皮之间的相互连接为胶接连接，耳片等接头与梁则采用螺栓连接。舵面3个接头耳片和操作杆采用铝合金材料，弹性模量为70000MP，切变模量为27000MP，泊松比03。除接头耳片外，各结构都采用复合材料，设计采用的铺层单元有单向带和双向布，单层厚度分别为0104和0218，其中双向布为45方向铺设，另外对于调整片还采用了泡沫夹芯材料。

利用PATRAN软件对整个舵面建立有限分析模型，整个舵面结构基木选用板单元；对于操纵杆，选用2节点的杆单元；对于调整片，应选用8节点的六而体单元，比较终的有限元模型有17454个单元，112个多点约束。

在该舵面结构中，涉及到的连接并不多，肋和梁、肋和蒙皮之间通过几何建模合成为一体进行分析。调整片和主舵面之间的双支点铰链连接，耳片接头和梁之间的螺栓连接，以及操纵杆与耳片的连接都是通过设置多点约束来对真的结构进行模拟的。