民用飛機(jī)飛行載荷篩選方法研究

譚林林 趙繼偉 / TAN Linlin ZHAO Jiwei

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

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民用飛機(jī)飛行載荷篩選方法研究

譚林林 趙繼偉 / TAN Linlin ZHAO Jiwei

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

以某大型民用飛機(jī)為例，對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)方法、參數(shù)分析與選擇法、單值包線法以及組合包線法等四種飛行載荷篩選方法進(jìn)行了分析說明，載荷篩選方法對(duì)飛行載荷設(shè)計(jì)有極其重要的意義，并在目前飛機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。

民用飛機(jī)；載荷篩選方法；飛行載荷

0 引言

在民用飛機(jī)飛行載荷設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)規(guī)范各種機(jī)動(dòng)和突風(fēng)的要求，對(duì)重量、重心、慣矩、速度、高度等多種組合進(jìn)行計(jì)算，會(huì)得到數(shù)萬種載荷情況，如果對(duì)所有情況都考慮時(shí)間歷程中每個(gè)點(diǎn)的載荷，將使得載荷點(diǎn)的數(shù)目十分龐大，在工程實(shí)際中是不切實(shí)際、難以實(shí)現(xiàn)的。因此，需要從如此浩瀚的數(shù)據(jù)堆中，根據(jù)一定的原則對(duì)上述所有載荷情況進(jìn)行篩選，得到有限的載荷設(shè)計(jì)嚴(yán)重工況，用以提供強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，這樣既能保證不遺漏載荷的嚴(yán)重工況，又能大大減少計(jì)算的工作量。飛行載荷篩選使用了四種方法：設(shè)計(jì)點(diǎn)方法、參數(shù)分析與選擇法、單值包線法以及組合包線法，其中前三種為經(jīng)典的篩選方法，組合包線法是對(duì)經(jīng)典法的補(bǔ)充。

1 設(shè)計(jì)點(diǎn)方法

對(duì)于一個(gè)機(jī)動(dòng)過程的時(shí)間歷程，采用設(shè)計(jì)點(diǎn)的概念來選取典型的載荷特征點(diǎn)。設(shè)計(jì)點(diǎn)法用于載荷篩選的初選，以偏航機(jī)動(dòng)的垂尾載荷為例，用垂尾的三個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)來概括，如圖1所示。

圖1 垂尾設(shè)計(jì)點(diǎn)

1)第一設(shè)計(jì)點(diǎn)：δr偏至δrmax 時(shí)刻；

2)第二設(shè)計(jì)點(diǎn)：FV為最大時(shí)刻；

3)第三設(shè)計(jì)點(diǎn)：δr回舵至中立時(shí)刻，δr方向舵偏度。

目前，設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)機(jī)動(dòng)設(shè)計(jì)點(diǎn)提出了明確要求，如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)點(diǎn)情況

2 參數(shù)分析與選擇法

在機(jī)動(dòng)過程的時(shí)間歷程中，按照極值(包含最大值、最小值)進(jìn)行篩選，如過載系數(shù)、角速度、角加速度、飛機(jī)姿態(tài)角、操縱面偏角、尾翼載荷、無尾載荷等重要參數(shù)。對(duì)于縱向機(jī)動(dòng)，篩選對(duì)象為過載系數(shù)、迎角、平尾偏度、升降舵偏度、俯仰角速度、俯仰角加速度、平尾載荷、無尾載荷等，而側(cè)向機(jī)動(dòng)，以側(cè)滑角、方向舵偏度、偏航角速度、偏航角加速度、側(cè)向過載、垂尾載荷等參數(shù)為篩選對(duì)象；滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)，以滾轉(zhuǎn)角、側(cè)滑角、副翼偏度、滾轉(zhuǎn)角速度、滾轉(zhuǎn)角加速度等參數(shù)為篩選對(duì)象。

3 單值包線法

對(duì)計(jì)算的所有總載荷工況，在進(jìn)行氣動(dòng)分布載荷和慣性力分布載荷計(jì)算后，對(duì)于翼面類部件按照肋位累計(jì)，機(jī)身類部件按照框位累計(jì)得出各個(gè)站位的最大剪力、彎矩、扭矩，繪制出單值包線圖，以此篩選出嚴(yán)重載荷情況。以某民用飛機(jī)機(jī)翼為例給出如圖2～圖4所示的單值包線圖。

圖2 剪力圖

圖3 彎矩圖

圖4 扭矩圖

4 組合包線法

為保證能篩選到局部站位載荷嚴(yán)重情況，采用了組合包線法進(jìn)行篩選，對(duì)于機(jī)翼而言一般選取4～5個(gè)站位，機(jī)身選取20個(gè)站位，平尾和垂尾選取1～2個(gè)站位，這些站位主要是一些外形突變處、結(jié)構(gòu)對(duì)接面、氣動(dòng)力突變處，機(jī)翼選取了翼根剖面、發(fā)房區(qū)、襟翼區(qū)、副翼區(qū)，平尾和垂尾選取了翼根站位，分別繪制選取站位處的剪力-彎矩、彎矩-扭矩、剪力-扭矩組合包線，選取所有邊界點(diǎn)處作為嚴(yán)重工況進(jìn)行校核。圖5～圖9給出了某站位機(jī)翼的彎矩、剪力、扭矩組合包線圖。對(duì)機(jī)身而言，慣性載荷起主要作用，組合包線法挑選尤為重要，前起框、主起框、前段、中段、尾段框及一些結(jié)構(gòu)對(duì)接框都需要選取，目前選定了4個(gè)框位。機(jī)身組合包線類型會(huì)更多，增加了側(cè)向力、側(cè)彎等組合。

對(duì)某民用飛機(jī)機(jī)翼而言，選取了翼跟剖面、發(fā)房區(qū)、襟翼區(qū)、副翼區(qū)作出剪力-彎矩、剪力-扭矩、彎矩-扭矩組合包線，選取所有邊界點(diǎn)處作為嚴(yán)重工況進(jìn)行校核，選取如下站位：Z=1.925m， Z=6.118m, Z=10.018m, Z=13.618m。如圖10所示。

圖5 彎矩-剪力圖

圖6 剪力-扭矩圖

圖7 彎矩-扭矩圖

圖8 機(jī)身彎矩-剪力圖

圖9 機(jī)身側(cè)彎-側(cè)剪力圖

圖10 機(jī)翼展向剖面站位

5 結(jié)論

以某民用飛機(jī)載荷篩選為例采用組合包線法從60多萬種總載荷工況中篩選出各個(gè)部件的嚴(yán)重工況；結(jié)合經(jīng)典法共篩選出500多種縱向嚴(yán)重工況，100多種側(cè)向嚴(yán)重工況， 相比只用單值篩選方法(100多種縱向情況，70多種側(cè)向情況)更完善、合理，不會(huì)遺漏部件局部嚴(yán)重情況；組合包線法已經(jīng)經(jīng)過多輪載荷設(shè)計(jì)，目前采用的嚴(yán)重載荷篩選法已經(jīng)得到適航當(dāng)局審批，可應(yīng)用到民用飛機(jī)工程設(shè)計(jì)中。2014年12月，通過咨詢國外技術(shù)專家，了解到空客載荷設(shè)計(jì)目前也應(yīng)用了組合包線篩選法，其中，機(jī)翼選取了4～5個(gè)站位，機(jī)身選取了10～20個(gè)站位，平尾垂尾選取了1～2個(gè)站位。 這說明采用的載荷篩選法已經(jīng)與國際接軌。

[1] 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第九冊(cè)：載荷、強(qiáng)度和剛度[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[2] 中國民用飛機(jī)航空局.CCAR-25中國民用航空規(guī)章第25部：運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國民用航空局，2011.

Research on the Screening Methods of the Flight Load on Civil Aircraft

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

Taking a large civil aircraft as an example, four screening methods are explained such as design point method, parameter analysis and selection method, single envelop method and assemble envelop method. This paper researches these methods detail by detail. The screening method is important to the flight load. At present, the method is widely used in the airplane design.

civil aircraft; screening methods; flight load

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.03.003

V215.1

A