民用飛機(jī)IPS吊掛接頭設(shè)計(jì)

張仲楨　崔衛(wèi)軍　廉偉

【摘 要】IPS（Integrated Propulsion System）一體化推進(jìn)系統(tǒng)吊掛，是一種全新的吊掛形式。針對(duì)全新IPS吊掛，設(shè)計(jì)全新吊掛接頭，并描述了吊掛接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、載荷傳遞路徑、應(yīng)急斷離等內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】IPS；吊掛接頭；結(jié)構(gòu)；載荷；應(yīng)急斷離

0 引言

吊掛接頭是飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)上重要結(jié)構(gòu)件之一，將吊掛連接到外翼盒段上。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的拉力和反推力通過吊掛接頭，傳遞到外翼盒段上，帶動(dòng)飛機(jī)起飛滑跑、空中飛行和降落減速。在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)中，為了降低意外和事故的影響程度，減少對(duì)機(jī)組及乘客的傷害，往往在應(yīng)急著陸的情況下，吊掛與外翼整體油箱應(yīng)急分離的設(shè)計(jì)方式，吊掛接頭處就是該應(yīng)急分離的位置。

1 翼下發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛連接形式

民用飛機(jī)的翼下吊掛結(jié)構(gòu)一般左右外形對(duì)稱，結(jié)構(gòu)布置相同，左右可以互換，吊掛與外翼相連，常用的連接方式可以分為：盒式梁式結(jié)構(gòu)、超靜定多連桿式結(jié)構(gòu)。

1.1 盒式梁式結(jié)構(gòu)

盒式梁式結(jié)構(gòu)吊掛上梁布置的接頭與外翼前梁上布置的接頭連接，承受吊掛扭轉(zhuǎn)載荷及大部分重量。盒形梁延伸到外翼下壁板中后部，與外翼盒段下壁板上布置的后接頭連接，用來承受吊掛側(cè)向載荷及小部分重量。下壁板上靠近前梁處布置一個(gè)大銷子，插到吊掛中部，發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛的拉力、反推力都是通過該銷子傳遞到外翼盒段上?？湛拖盗忻駲C(jī)采用該吊掛結(jié)構(gòu)形式。如圖1所示。

1.2 超靜定多連桿式結(jié)構(gòu)

超靜定多連桿式吊掛，一般設(shè)計(jì)有上、中、下三類接頭。上接頭通過上支撐桿連接外翼前梁接頭，傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛的推力、拉力及部分重量。吊掛后部上側(cè)通過中接頭與下壁板前梁附近的接頭連接，傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛的推力、拉力、大部分重量、扭轉(zhuǎn)載荷以及側(cè)向載荷。吊掛后部下側(cè)下接頭通過斜撐桿與外翼下壁板中部的接頭連接，傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛的推力及拉力。這種結(jié)構(gòu)是承受發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛載荷較好的結(jié)構(gòu)，可以減輕結(jié)構(gòu)重量，屬于一次超靜定結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)破損/安全性。波音系列民機(jī)采用該吊掛結(jié)構(gòu)形式。如圖2所示。

2 IPS吊掛接頭設(shè)計(jì)

2.1 IPS吊掛特點(diǎn)

IPS（Integrated Propulsion System）吊掛采取前傳扭形式，在后安裝節(jié)區(qū)域比傳統(tǒng)吊掛窄了很多，使發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的涵道氣動(dòng)性能。推進(jìn)器的一體化設(shè)計(jì)貢獻(xiàn)的1.5%的油耗降低中，0.75%的油耗降低是直接由吊掛設(shè)計(jì)創(chuàng)造的。

2.2 IPS吊掛接頭布置

IPS吊掛設(shè)計(jì)采用超靜定多連桿式結(jié)構(gòu)，所以吊掛接頭采用上接頭，下接頭和后接頭三類接頭設(shè)計(jì)方式。上接頭布置在前梁前，與上支撐桿連接。下接頭分為外下接頭、中下接頭、內(nèi)下接頭三個(gè)，布置在外翼下壁板前梁附件。后接頭布置在下壁板后側(cè)。如圖3所示。

由于IPS吊掛及吊掛整流罩較窄，為防止下接頭凸出整流罩外形面，下壁板連接的接頭底部設(shè)計(jì)小角度轉(zhuǎn)折。這會(huì)引起載荷傳遞過程中局部應(yīng)力集中，在設(shè)計(jì)接頭底板和下壁板是要對(duì)該處進(jìn)行局部加強(qiáng)。如圖4所示。

2.3 IPS吊掛接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

上接頭布置在上、下壁板、前梁前部組成的半封閉盒段內(nèi)，如圖5所示。沿著上連桿的軸線方向向上沿伸，剛好到前梁腹板和上壁板交界處。上連桿的載荷通過上接頭，可以直接傳遞到梁腹板和上壁板，由梁腹板的剪力和上壁板內(nèi)剪力平衡，并且無附加彎矩，載荷傳遞更直接。上接頭選用鈦合金材料，安全銷選用合金鋼材料，為防止異電位腐蝕，接頭襯套選用銅合金材料。翼盒前梁為滿足要求設(shè)計(jì)得剛度較大，腹板、緣條厚度較厚，并在上接頭位置布置一個(gè)加強(qiáng)筋。如圖6所示。

外下接頭組件與吊掛中接頭外側(cè)耳片連接，如圖7所示，布置在上接頭外側(cè)、下壁板下方，接頭連接孔位置在前梁正下方，孔軸線方向垂直于航向。外下接頭采用鈦合金，安裝孔安裝銅合金的襯套，尾部需懸掛吊掛后緣整流罩，布置一個(gè)耳片連接整流罩。在外下接頭上面，前梁前面布置前角盒，前角盒背面與前梁腹板連接，用于將接頭載荷傳遞到前梁腹板上。在外下接頭上面、前梁內(nèi)側(cè)布置加強(qiáng)筋增加剛度。外下接頭尾端延伸到下前壁板，在翼盒內(nèi)布置角盒，可以將外下接頭尾端的載荷傳遞到翼肋上。如圖8所示。

內(nèi)下接頭組件與吊掛中接頭內(nèi)側(cè)耳片連接，如圖9所示，布置在上接頭內(nèi)側(cè)、下壁板下方，接頭連接孔位置在翼肋正下方。內(nèi)下接頭采用鈦合金，安裝孔安裝銅合金的襯套。尾部也設(shè)計(jì)連接整流罩的耳片。另外尾部腹板側(cè)邊需安裝吊掛后緣整流罩調(diào)節(jié)拉桿，所以布置一個(gè)接頭。內(nèi)下接頭上、翼盒內(nèi)布置角盒與前梁腹板連接、翼肋連接，角盒底部直接與內(nèi)下接頭前端連接，這樣內(nèi)下接頭承受的吊掛載荷可以直接傳遞到翼盒的下壁板、前梁和翼肋上。內(nèi)下接頭尾端延伸到下中壁板兩個(gè)肋之間。翼盒內(nèi)布置一個(gè)拉桿，將內(nèi)下接頭尾端與翼盒內(nèi)結(jié)構(gòu)連接起來。拉桿一側(cè)連接翼肋和長(zhǎng)桁處的接頭，另一側(cè)連接內(nèi)下接頭尾端處翼盒內(nèi)的接頭。如圖10所示。

中下接頭組件包括中下前接頭、中下后接頭和關(guān)節(jié)軸承，如圖11所示。中下接頭組件布置在內(nèi)下接頭、外下接頭之間，上接頭正下方，與吊掛側(cè)向連桿連接。主接頭是由中下前接頭和中下后接頭兩個(gè)背靠背的接頭鉚接組成的，兩個(gè)接頭都采用鈦合金，背靠背接頭可以增加接頭的損傷容限性能。接頭孔中心交點(diǎn)位置在梁腹板正下方，載荷傳遞到翼盒的路徑更直接。接頭孔中心安裝一個(gè)關(guān)節(jié)軸承，用來調(diào)整安裝時(shí)的角度公差。中下接頭布置在上接頭正下面，采用4個(gè)螺栓連接在翼盒上。前面2個(gè)螺栓直接連接在上接頭底板，后面2個(gè)螺栓連接到梁下緣條上，載荷直接通過上接頭、梁緣條和加強(qiáng)筋傳遞到梁腹板上。如圖12所示。

后接頭與斜撐桿連接，承受發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)吊掛傳遞過來的拉力以及發(fā)動(dòng)機(jī)反推產(chǎn)生的推力。如圖13所示。后接頭孔中心布置在吊掛對(duì)稱面和翼盒翼肋平面交線上。斜撐桿的載荷可以分解為下壁板的面內(nèi)載荷和垂直下壁板的面外載荷。面內(nèi)載荷直接傳遞到下壁板上，面外載荷通過翼肋傳遞到翼盒上。后接頭采用鈦合金，安裝一個(gè)自潤滑關(guān)節(jié)軸承，調(diào)節(jié)斜撐桿與后接頭之間的角度公差。在翼盒內(nèi)翼肋兩側(cè)，后接頭正上方分別布置了兩個(gè)角盒：內(nèi)角盒和外角盒，角盒底部與后接頭前部連接，角盒腹板與翼肋腹板連接，后接頭承受豎直方向的載荷分量可以直接傳遞到翼盒上。后接頭后端一直延伸至后梁腹板前，后接頭后端直接與后梁下緣條連接，后梁在該處腹板上增加2個(gè)縱向立筋，用于增加該處腹板的剛度，如圖14所示。

2.4 吊掛接頭應(yīng)急斷離設(shè)計(jì)

適航條款要求應(yīng)急著陸時(shí)，油箱有防護(hù)措施。如圖15所示。這就要求吊掛有應(yīng)急斷離設(shè)計(jì)要求。吊掛接頭和吊掛全部采用安全銷連接。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)著地時(shí)，由于地面載荷向上，斜撐桿的安全銷首先被剪切斷，后續(xù)連接上支撐桿的安全銷也被剪切斷，發(fā)動(dòng)機(jī)繞吊掛中接頭向上旋轉(zhuǎn)。外下接頭和內(nèi)下接頭與吊掛中接頭耳片底部分別有6°和3°夾角。如圖16所示。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)向上轉(zhuǎn)3°時(shí)，內(nèi)下接頭耳片的安全銷開始剪切。繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，內(nèi)下接頭安全銷已剪斷，當(dāng)轉(zhuǎn)到6°時(shí)，外下接頭的安全銷開始剪切。此時(shí)只有外下接頭連接吊掛，受慣性力的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)和吊掛會(huì)向遠(yuǎn)離客艙的外翼外側(cè)傾斜。當(dāng)外下接頭的剪切銷剪斷后，發(fā)動(dòng)機(jī)完全斷離，向機(jī)翼翼梢脫離，保護(hù)了油箱和客艙安全。

3 結(jié)論

IPS吊掛接頭及安全銷通過試驗(yàn)件已驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案的可行性。隨著分析手段的提高，設(shè)計(jì)方法、分析技術(shù)、制造技術(shù)不斷進(jìn)步，吊掛接頭的設(shè)計(jì)會(huì)向著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案更簡(jiǎn)單，承載能力更好，使用性能更安全、更可靠發(fā)展。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]