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舵面是操縱飛機(jī)的部件，包括方向舵、升降舵和副翼。舵面功能主要是保證飛機(jī)橫向和縱向的平衡，以及實現(xiàn)飛行員對飛機(jī)橫向和縱向的操縱，其通過兩點或多點分別懸掛在水平安定面、垂直安定面、機(jī)翼上。主要外載荷為偏轉(zhuǎn)氣動載荷。氣動載荷產(chǎn)生的剪力通過懸掛接頭以集中力的形式傳給安定而或機(jī)翼圖，氣動載荷相對于轉(zhuǎn)軸的力矩由操縱臂上的操縱力與懸掛接頭的支反力構(gòu)成的力矩平衡。
隨著先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用程度進(jìn)入了前所未有的階段。波音、空客等空中巨頭爭先在先進(jìn)飛機(jī)中使用復(fù)合材料，以達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)重量，降低運營成本，提高舒適性等目的。舵面作為控制飛行姿態(tài)的重要結(jié)構(gòu)，在當(dāng)今民機(jī)中大多是采用全復(fù)合材料，因此在民機(jī)舵面設(shè)計中，復(fù)合材料的靜強(qiáng)度校核是最基礎(chǔ)也是最重要的一節(jié)。對于飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計者來說，首先必須考慮的問題就是結(jié)構(gòu)的有限元分析。
復(fù)合材料靜強(qiáng)度的設(shè)計要求包括：
(1)按許用應(yīng)變設(shè)計的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，一般應(yīng)按使用載荷設(shè)計、按設(shè)計載荷校核，其中工作應(yīng)變?nèi)≈鲬?yīng)變。
(2)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算用的許用值，分為使用許用值和設(shè)計許用值，分別對應(yīng)于最大使用載荷和最大設(shè)計載荷。
(3)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取自現(xiàn)行的強(qiáng)度規(guī)范和專門為型號指定的強(qiáng)度計算原則。
(4)強(qiáng)度計算時一般應(yīng)采用蔡-胡(TsarWu)失效判據(jù)。
(5)復(fù)合材料的力學(xué)性能受溫度影響較大，因此當(dāng)結(jié)構(gòu)使用溫度范圍很寬或復(fù)合材料性能在不同溫度下變化很大時，應(yīng)力分析性能數(shù)據(jù)可以按結(jié)構(gòu)使用溫度劃分溫度區(qū)間，材料彈性常數(shù)取相應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)的平均值，強(qiáng)度計算用相應(yīng)區(qū)間的許用值。而選取相應(yīng)溫度區(qū)間各飛行情況中的最大使用載荷作為設(shè)計載荷，同時取相應(yīng)溫度區(qū)間的許用值進(jìn)行強(qiáng)度計算。
本課題靜強(qiáng)度校模型是國內(nèi)某型號支線客機(jī)的舵面，主要針對蒙皮、肋、梁等復(fù)合材料的靜強(qiáng)度校核，同時也對3片鋁合金耳片和鋁合金操作桿進(jìn)行分析。
本課題的研究對象是某型支線飛機(jī)的復(fù)合材料方向舵結(jié)構(gòu)，采用的是單梁式結(jié)構(gòu)，其主要元件有前梁、后墻、肋、端肋、蒙皮、調(diào)整片、操縱桿等，舵面的寬約1.1m，高3m。該舵面結(jié)構(gòu)的縱向元件是由前梁和后墻構(gòu)成，橫向元件由7根盒段肋和9根前緣肋構(gòu)成。舵面后緣下端有調(diào)整片，通過鉸鏈與舵面后墻連接，由調(diào)整片和操縱桿操縱。肋、梁和蒙皮之間的相互連接為膠接連接，耳片等接頭與梁則采用螺栓連接。舵面3個接頭耳片和操作桿采用鋁合金材料，彈性模量為70000 MPa，切變模量為27000 MPa，泊松比0.3。除接頭耳片外，各結(jié)構(gòu)都采用復(fù)合材料，設(shè)計采用的鋪層單元有單向帶和雙向布，單層厚度分別為0.104mm和0.218mm，其中雙向布為±45°方向鋪設(shè)，另外對于調(diào)整片還采用了泡沫夾芯材料。
利用PATRAN軟件對整個舵面建立有限分析模型，整個舵面結(jié)構(gòu)基木選用板單元；對于操縱桿，選用2節(jié)點的桿單元；對于調(diào)整片，應(yīng)選用8節(jié)點的六而體單元，最終的有限元模型有17454個單元，112個多點約束。
在該舵面結(jié)構(gòu)中，涉及到的連接并不多，肋和梁、肋和蒙皮之間通過幾何建模合成為一體進(jìn)行分析。調(diào)整片和主舵面之間的雙支點鉸鏈連接，耳片接頭和梁之間的螺栓連接，以及操縱桿與耳片的連接都是通過設(shè)置多點約束來對真實的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬的。
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