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仿真分析在壁板及前缘结构固化变形预测及控制(3)

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3 平尾前缘U型结构变形预测

在飞机结构中有一类较为复杂的复材结构，即机翼或水平尾翼前缘结构。以某型飞机水平尾翼可卸前缘为例，该结构是由铝蒙皮、蜂窝和玻璃纤维三种材料构成的混杂结构(见图10)，前缘结构整体呈现U形轮廓设计以符合气动外型要求。蜂窝为过拉伸结构，在W方向经过拉伸处理，如图11所示，这将增加W方向剪切性能并减小L方向剪切性能。

图10 U型前缘结构材料分解示意图Fig.10 Structure of the leading edge

图11 蜂窝结构示意图Fig.11 Structure of the honeycomb

玻璃纤维和蜂窝之间，以及玻璃纤维和铝蒙皮之间的贴合面处通过胶膜胶接以达到整体成型效果。玻璃纤维共8层，分别为[0,90]及[±45]的交替排布。经过拉伸成型的的铝板通过胶膜与玻纤共固化成型。整体结构为阴模成型中温固化。

图12 平尾前缘固化变形趋势Fig.12 PID in leading edge structure

从图12中可以看出，脱模后该前缘呈现较为奇特的固化变形趋势，它在两长自由端边缘向外突出，同时在边缘的四个角点处其外翻程度尤为明显。如将该结构用于零件装配势必导致强制装配从而影响气动外型并对结构自身的静强度和疲劳强度造成损害，故本节对该结构进行回弹变形计算并得到工装回弹补偿量值，以期得到符合理论外型的合格零件。

3.1 模型及材料

使用三维8节点层状实体单元进行网格划分。模型共分为三个部分，外层结构(包括4层玻纤织物和铝蒙皮)，蜂窝结构和内层结构(4层玻纤织物)，参见图13。将每层材料厚度、材料、方向通过积分点的形式赋予实体单元的分层结构中，从而实现了在厚度方向上为一个单元的计算模型，提高了模型整体计算效率。

3.2 前缘变形分析

图14为经仿真计算后各方向的变形云图。从图中可以看出，计算结果中的固化变形趋势与实际变形情况一致，特别是在四个角点处其外翻程度明显。考虑到结构的变形主要出现在蒙皮处，故提取了蒙皮节点的位移进行变形偏差分析。

图13 平尾前缘有限元模型示意图Fig.13 FEM model of the leading edge structure

图14 前缘变形云图 (a) 前缘X向变形云图; (b) 前缘Y向变形云图; (a) 前缘Z向变形云图； (b) 前缘综合变形云图Fig.14 PID of the leading edge (a) PID of the leading edge in X-direction; (b) PID of the leading edge in Y-direction;(a) PID of the leading edge in Z-direction； (b) PID of the leading edge in total

采用Digitized Shape Editor进行变形分析，如图15所示。在三维等轴视图中，可卸前缘蒙皮贴膜面四个角点的偏转偏移量较大，最大偏差为6.83 mm。根据横截面视图，固化后零件的变形趋势为：从底部开始，越靠近自由端贴膜面向外扩张的量值越大，并在其自由边缘处偏差量达到极值。在可卸前缘自由边缘处每隔100 mm处取点并计算测量点间的跨度，可进一步将模拟结果与实际变形情况进行对比。图16给出了跨度的测量方法。

图15 变形分析示意图 (a) 三维等轴视图下的变形分析; (b) 截面变形分析Fig.15 Deviation analysis of the leading edge (a) Deviation analysis (iso-view); (b) deviation analysis (section view)

图16 平尾前缘结构变形测量点跨距示意图Fig.16 Measurement of the span in the structure

从表2的统计数据可以看出，模拟结果与实际变形有较好的贴合度，误差基本在2%～3%。作者认为玻璃纤维材料与模具间热膨胀系数的差异并不是误差产生的主要原因，因此，该因素未加以考虑。

通过仿真的方法对前缘固化前后外形变化进行分析。脱模前前缘不同材料结构内应力云图如图17所示。对于脱模后零件会产生相当大的外翻趋势，合理的解释是有一种垂直于模具型面的应力在自由端积聚，在脱模后释放导致前缘外翻变形。从图17(a)可以看出，在固化未脱模前，铝蒙皮形成了近-126MPa的内应力，该应力方向正好引起前缘组件外翻的趋势。

表2 自由端跨距测量值与模拟值的对比Table 2 Comparison of the span between measurement andsimulation resultSpan/mmD1D2D3D4D5D6Measured in /mmD7D8D9D10D11D12Measured in . /mmD13D14D15D16D17D18Measured in /mmD19D20D21Measured in

而与铝蒙皮相接的玻璃纤维自由端的最大应力为15MPa，方向与铝蒙皮中应力相反，如图17(b)。蜂窝和上层玻纤的内应力很小。结果是在铝及其相邻的玻璃纤维中累积的内应力相互作用使得脱模后诱导整个前缘零件的变形。

提取前缘自由端Z向内应力如图18所示，从图中可以看出内应力数值均为负值，表明一直在给零件施加一种向外伸的力。而在自由端两端点处这种应力几乎比中间部分应力高出1/3，故在脱模后，自由端角点处向外翻的趋势就更为严重，这也解释了图12中出现的零件变形现象。

文章来源：《地学前缘》网址: http://www.dxqyzz.cn/qikandaodu/2021/0302/422.html