[科普中国]-飞机夹层构造

简介

飞机的夹层结构由两个部分组成，表面由很薄的板材做成，中间夹以较轻的夹芯层。前者称为表板，要求强度高；后者称为夹层，要求重量轻1。

与薄壁结构的蒙皮相比，夹层板厚度大得多，抵抗失稳能力强，而且表面光滑，气动外形良好，但由于制造工艺复杂，工艺质量又不易检验，应用受到很大限制。夹层结构表板的材料主要有铝合金、不锈钢、钛合金和各种复合材料。夹层材料有轻质木材、泡沫塑料等，也可用金属材料或复合材料制成波纹板夹层或者蜂窝型夹层。夹层与表板一般用胶粘结在一起，也可以用焊接形成整体。在受力分析中，上、下两个表板只承受表板面内的拉力、压力和剪切力，不能承受弯矩和扭矩，而中间夹层只承受垂直于夹层面的切力。由于夹层结构的两表板之间距离较大，夹层结构的弯曲刚度也比较大，失稳临界应力显著提高，而且夹层结构不用铆钉，免除了钉孔带来的应力，提高了疲劳强度。

夹层构造材质在飞机设计中要求设计的构件尽可能轻而不损失强度是对设计人员的最大挑战，这就要求所设计的薄壁结构在承受拉、压及剪切载荷的综合作用下不失稳。过去传统的飞机结构设计方法仍在一些范围内使用，例如通过用长桁和肋 / 框组成纵、横向加强件来提高板的稳定性。实际上，某些次结构也可以使用夹层结构飞机夹层结构的设计和泡沫芯材的选择设计来满足强度、刚度要求。

飞机的复合材料夹层结构通常采用先进复合材料做面板，其夹芯为轻质材料。夹层结构的弯曲刚度性能主要取决于面板的性能和两层面板之间的高度，高度越大其弯曲刚度就越大。夹层结构的芯材主要承受剪应力并支持面板不失去稳定性，通常这类结构的剪切力较小。选择轻质材料作为夹芯，可较大幅度地减轻构件的重量。当然，对于面板很薄的夹层结构，还应考虑抗冲击载荷的能力，所以面板的最小厚度必须满足一定的条件。此外，夹层结构的使用经验还表明：在从成本方面评估夹层结构时，不仅要考虑制造成本，还必须考虑飞机使用期的全寿命成本。

夹层结构的夹芯通常采用蜂窝或泡沫芯材。

通常在飞机夹层结构设计中，泡沫材料的密度比蜂窝要高，剪切强度也低于同样密度的蜂窝材料，这也是目前蜂窝材料的应用多于泡沫材料的原因。但是泡沫材料在工艺、设计和使用过程中，也有其独特的优势。

从工艺角度讲，与泡沫材料相比，蜂窝材料机械加工相对简单;对于复杂形状，可以通过热成形的方法对芯材成型。与蜂窝夹层结构相比，泡沫夹层结构能够适应更高的共固化温度和压力，不需要填充处理。在同样的共固化条件下，泡沫夹层结构的复合材料蒙皮的力学性能相对要高。另外，泡沫芯材还能直接用于各种液体树脂成形工艺，例如各种树脂转移模塑工艺等。

从设计角度讲，除了常用的全高度夹层结构和蒙皮夹层结构外，还可以设计泡沫填充帽形加筋条结构。另外，泡沫材料的力学性能是各向同性的，而蜂窝是各向异性的。在复杂受力状态(例如翼稍小翼结构中)下，泡沫材料比蜂窝更能满足结构和强度的要求。

夹层结构的位置目前，飞机夹层结构主要的使用位置有：起落架舱门、雷达罩、地板、发动机短舱、飞行控制面（襟翼、副翼、升降舵、扰流板等），翼身整流罩、翼稍小翼以及用于加强壁板和蒙皮的泡沫填充帽形加筋条2。