復(fù)合材料機(jī)翼液壓管路設(shè)計(jì)影響分析

夏鶴鳴，樸學(xué)奎，范 平，楊化龍

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究部，上海210201)

復(fù)合材料機(jī)翼液壓管路設(shè)計(jì)影響分析

夏鶴鳴，樸學(xué)奎，范 平，楊化龍

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究部，上海210201)

隨著復(fù)合材料在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用比例的不斷提高，為適應(yīng)現(xiàn)代民用飛機(jī)發(fā)展的需求，研究了復(fù)合材料機(jī)翼相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料機(jī)翼在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的變化，著重介紹了液壓管路安裝設(shè)計(jì)、閃電防護(hù)設(shè)計(jì)以及管路應(yīng)力等方面面臨的新挑戰(zhàn)，并針對(duì)這些課題展開(kāi)了討論分析。

復(fù)合材料;液壓管路;機(jī)翼

液壓能源系統(tǒng)具有比功率大、響應(yīng)速度快、抗負(fù)載剛性大及容易控制等特點(diǎn)［1］，為飛機(jī)上飛控系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)以及反推力系統(tǒng)等負(fù)載提供動(dòng)力源，是飛機(jī)的二次能源之一［2］，在保證飛機(jī)的飛行安全上有著非常重要的地位［3］。液壓能源系統(tǒng)的用戶廣泛布置于飛機(jī)機(jī)翼與尾翼部分，機(jī)翼上布置有大量的液壓管路，因此機(jī)翼液壓管路布局的合理性對(duì)飛機(jī)安全有著巨大的影響［4］。

復(fù)合材料具有質(zhì)量輕，較高的比強(qiáng)度、比模量［5］，更好的抗疲勞、抗腐蝕特性等許多優(yōu)異特性。隨著一系列先進(jìn)復(fù)合材料研究技術(shù)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，民用飛機(jī)復(fù)合材料的使用比例逐年提高。大量應(yīng)用復(fù)合材料可較大幅度地減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低燃油消耗，改善飛機(jī)的維修性，提高飛機(jī)的壽命和安全性。目前，波音B787和空客A350客機(jī)的復(fù)合材料的使用比例都超過(guò)了50%。人們對(duì)復(fù)合材料研究的不斷深入，其使用部位逐漸由飛機(jī)的次承力構(gòu)件向更為復(fù)雜的機(jī)翼、機(jī)身等主承力構(gòu)件轉(zhuǎn)移。在機(jī)翼區(qū)域復(fù)合材料的使用比例不斷提高的同時(shí)，給機(jī)翼區(qū)域液壓管路的布置帶來(lái)了一系列新的課題。本文主要從液壓管路的安裝設(shè)計(jì)、閃電防護(hù)以及管路應(yīng)力分析等角度進(jìn)行了探討。

1 復(fù)合材料機(jī)翼上液壓管路的安裝設(shè)計(jì)

現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)翼翼型正向薄翼型發(fā)展［6］，機(jī)翼內(nèi)部空間逐漸變小，同時(shí)適航條款對(duì)機(jī)翼上液壓能源系統(tǒng)安全性的要求逐漸提高，對(duì)各子系統(tǒng)之間冗余設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高。因此，液壓能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)逐漸采用在翼盒內(nèi)與機(jī)翼后緣均布置液壓管路的方案，例如A320與ERJ190就在翼盒中布置了一套液壓管路，后緣布置了兩套，我國(guó)自主研制的新型支線飛機(jī)也采用了類似布置?；谶@樣的布置方案，液壓管路在機(jī)翼上需要穿過(guò)外翼、中央翼的前、后梁，隔板以及肋板等結(jié)構(gòu)件，并固定在肋板、長(zhǎng)桁等結(jié)構(gòu)件上，典型的安裝形式如圖1所示。

圖1 某型飛機(jī)液壓管路安裝的結(jié)構(gòu)形式

機(jī)翼上液壓能源系統(tǒng)管路的安裝設(shè)計(jì)需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)孔，典型連接形式一般有以下兩種:

a.液壓管路安裝固定在結(jié)構(gòu)件上。液壓管路通過(guò)支架安裝于結(jié)構(gòu)件上，需要在結(jié)構(gòu)件上加工管路支架的緊固件孔。

b.液壓管路穿過(guò)結(jié)構(gòu)件。可分為兩種情況:(1)液壓管路穿過(guò)密封區(qū)，一般采用過(guò)框接頭，該類型過(guò)框接頭直徑較大，并且多根管路并行，需要在復(fù)合材料上布置多個(gè)孔;(2)液壓管路穿過(guò)非密封區(qū)，一般多根管路并行通過(guò)結(jié)構(gòu)件，需要在結(jié)構(gòu)件上布置較大的通過(guò)孔。

由于復(fù)合材料機(jī)翼與傳統(tǒng)金屬機(jī)翼材料特性不同，復(fù)合材料開(kāi)孔會(huì)切斷復(fù)合材料纖維，破壞了原有應(yīng)力和變形的連續(xù)性，由此產(chǎn)生的應(yīng)力集中使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，因此復(fù)合材料開(kāi)孔相對(duì)于金屬機(jī)翼要更為復(fù)雜。其中a中緊固件的結(jié)構(gòu)開(kāi)孔，由于該類型開(kāi)孔直徑較小，可以在復(fù)合材料上直接開(kāi)孔，一般無(wú)需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。而b中的通過(guò)孔，目前一般采用的解決措施是:首先對(duì)機(jī)翼的復(fù)合材料使用情況進(jìn)行合理配置，在需要通過(guò)較多管路的位置仍采用傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)，便于各系統(tǒng)的安裝設(shè)計(jì);第二，復(fù)合材料密封區(qū)同一個(gè)位置集中開(kāi)孔時(shí)，采用金屬口框補(bǔ)強(qiáng)形式，管路通過(guò)孔在金屬件上進(jìn)行加工，避免在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的同一個(gè)位置多次開(kāi)孔;第三，盡量減少采用衛(wèi)星孔較多的過(guò)框接頭，降低在復(fù)合材料上的開(kāi)孔數(shù)量。

2 復(fù)合材料機(jī)翼上液壓管路的閃電防護(hù)設(shè)計(jì)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年平均有一架飛機(jī)因雷擊而失事。閃電發(fā)生時(shí)，閃電直接效應(yīng)能量密度大，一旦附著在飛機(jī)外表面，會(huì)造成機(jī)翼表面灼傷，甚至穿透薄蒙皮引燃燃油蒸汽發(fā)生爆炸。間接效應(yīng)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)通過(guò)耦合和傳導(dǎo)的方式進(jìn)入到飛機(jī)電子系統(tǒng)，損壞設(shè)備或降低系統(tǒng)性能。由于復(fù)合材料的電傳導(dǎo)性比傳統(tǒng)金屬材料差，阻性遠(yuǎn)高于鋁合金，電磁屏蔽性能下降，閃電電流與靜電泄放不良，閃電的直接與間接效應(yīng)防護(hù)已成為復(fù)合材料飛機(jī)研制的重中之重。

液壓能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先，避免將元件與管路布置于閃電附著區(qū)以及掃略區(qū)，降低閃電直接效應(yīng)的影響。如果布置于該區(qū)域，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須保證閃電不能擊穿設(shè)備安裝處的蒙皮而直接附著于元件上，并能通過(guò)閃電直接效應(yīng)試驗(yàn)的驗(yàn)證。目前，對(duì)于閃電直接效應(yīng)，復(fù)合材料機(jī)翼普遍采用在結(jié)構(gòu)鋪層外部提供高導(dǎo)電率的涂層或者增加銅網(wǎng)的解決辦法，建立閃電先導(dǎo)與回?fù)綦娏鞯闹魍ǖ溃瑢?shí)現(xiàn)閃電電流在機(jī)體表面流通。其次，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)計(jì)算出閃電附著后傳導(dǎo)到機(jī)體內(nèi)部液壓管路上的電流值，以確定液壓管路與油箱內(nèi)壁面最小間距以及電搭接的方式、搭接點(diǎn)阻值要求和搭接點(diǎn)之間的間距要求?；谝陨陷斎霔l件對(duì)燃油箱內(nèi)管路進(jìn)行優(yōu)化布置，并且通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

目前針對(duì)復(fù)合材料機(jī)翼，液壓能源系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮將閃電電流隔離在油箱之外，液壓能源系統(tǒng)管路布置時(shí)逐漸采用新型的管路連接件(隔離接頭)替代傳統(tǒng)的管路連接件，該種新型接頭由金屬材料和復(fù)合材料組成，典型的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。管路設(shè)計(jì)時(shí)將隔離接頭布置于管路進(jìn)出機(jī)翼油箱的位置以及燃油箱內(nèi)部。該種新型接頭金屬法蘭一側(cè)與結(jié)構(gòu)件充分接觸，形成良好的搭接通路，閃電電流優(yōu)先通過(guò)結(jié)構(gòu)件傳導(dǎo)到飛機(jī)，中間為復(fù)合材料，電阻值大，可以有效地降低閃電作用在管路上的電流，其簡(jiǎn)化電路圖如圖3所示，其中RISO為隔離接頭的阻值。通過(guò)合理的布置隔離接頭可有效地避免閃電對(duì)液壓能源系統(tǒng)中電氣設(shè)備造成危害，避免液壓管路因閃電引起局部過(guò)熱，或因放電造成燃油箱爆炸，以符合CCAR25.981中的燃油箱點(diǎn)燃防護(hù)要求，該方法已經(jīng)在B787得到應(yīng)用。

圖2 隔離接頭形式

圖3 隔離接頭工作原理

3 復(fù)合材料機(jī)翼上液壓管路的應(yīng)力分析

液壓能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需滿足CCAR25.1435a(2)、(3)的適航要求［7］:能承受設(shè)計(jì)使用壓力和作用于其上的結(jié)構(gòu)限制載荷而不產(chǎn)生妨礙其預(yù)定功能的變形;能無(wú)損壞地承受1.5倍的設(shè)計(jì)工作壓力與合理地可能同時(shí)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)極限載荷的組合載荷。

目前民用飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)管路材料進(jìn)行如下配置:回油管路采用鋁合金管材(6061－T6)，材料規(guī)范為 AMS4083，壓力管路采用鋼管(21Cr6Ni9Mn)或鈦管(Ti－3Al－2.5V)，鋼管材料規(guī)范為AMS5561，鈦管材料規(guī)范為AMS4945。

為適應(yīng)飛行過(guò)程中氣動(dòng)力下機(jī)翼結(jié)構(gòu)的變形，液壓能源系統(tǒng)管路布置時(shí)有以下解決辦法:(1)管路安裝采用支架與機(jī)翼結(jié)構(gòu)連接，使管路與機(jī)翼結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)。(2)液壓管路支撐布置間距根據(jù)管徑的不同進(jìn)行合理分布。(3)液壓管路在一定距離內(nèi)進(jìn)行適度彎曲，以儲(chǔ)存變形余度。(4)采用比管徑大千分之二的定位卡箍來(lái)適應(yīng)機(jī)翼變形。

由于復(fù)合材料機(jī)翼和金屬材料機(jī)翼的變形量不同，基于以上管路材料以及布置的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)后，需進(jìn)一步對(duì)復(fù)合材料機(jī)翼中管路開(kāi)展專門的應(yīng)力分析，驗(yàn)算管路材料選用是否要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。確保分析結(jié)果中，管路和支架不出現(xiàn)較大應(yīng)力，各方向的變形協(xié)調(diào)，保證管路不產(chǎn)生大的局部變形，且變形后不與周邊結(jié)構(gòu)干涉。

4 復(fù)合材料機(jī)翼上液壓能源系統(tǒng)的散熱

液壓能源系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，機(jī)翼燃油箱是液壓能源系統(tǒng)散熱的重要通道，液壓能源系統(tǒng)通過(guò)輻射和對(duì)流將熱量傳給燃油，燃油再通過(guò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱，因此必須考慮適航條款CCAR25.981中的燃油箱點(diǎn)燃防護(hù)要求。由于復(fù)合材料和金屬材料的傳熱性能不一樣，需要建立新的散熱模型進(jìn)行分析，以保證液壓能源系統(tǒng)在工作過(guò)程中，處于機(jī)翼燃油箱中的管路溫度滿足燃油系統(tǒng)的溫度要求，避免液壓管路成為點(diǎn)火源。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合液壓系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)特點(diǎn)，給出了液壓系統(tǒng)管路在復(fù)合材料機(jī)翼上設(shè)計(jì)難點(diǎn)的解決思路，對(duì)今后液壓系統(tǒng)管路在復(fù)材機(jī)翼上的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。隨著復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用比例增加，液壓系統(tǒng)需逐步開(kāi)展復(fù)材機(jī)翼上液壓管路閃電防護(hù)試驗(yàn)研究、液壓管路熱應(yīng)力仿真研究等工作。

［1］酈正能.飛機(jī)部件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［2］王占林.飛機(jī)高壓液壓能源系統(tǒng)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［3］李艷軍.飛機(jī)液壓傳動(dòng)與控制［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.

［4］夏鶴鳴，范平，韓定邦.民用飛機(jī)機(jī)翼液壓管路設(shè)計(jì)探討［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2012，41(2):32 －33.

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The Analysis of Hydraulic System Tubing Design in Composite Wing

XIA Heming，PIAO Xuekui，F(xiàn)AN Ping，YANG Hualong
(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai，210201，China)

The wide application of the increased proportion of composite materials in the civil aircraft structure design is changing the design requirements of aircraft system.It introduces the new challenge about the hydraulic power system installation，lightning protection，tubing stress analysis，provides some solutions.

Composite;Hydraulic Tubing;Wing

V37

A

2095－509X(2013)05－0052－03

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.05.013

2012－10－08

夏鶴鳴(1983—)，男，江蘇如皋人，上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院工程師，碩士，主要從事民用飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。