民用飛機整體油箱中實體邊界的判定

薄曉莉

（上海飛機設(shè)計研究院強度設(shè)計研究部，上海200210）

民用飛機整體油箱中實體邊界的判定

薄曉莉

（上海飛機設(shè)計研究院強度設(shè)計研究部，上海200210）

民用飛機整體油箱是指存儲燃油用的機體盒段結(jié)構(gòu)，在計算油箱內(nèi)部的油壓載荷時，實體邊界的定義有著重要的作用，本文對如何判定實體邊界提供了公式。如根據(jù)以往經(jīng)驗，密封肋才可作為油箱邊界，如果結(jié)構(gòu)上有開孔，則不能視為邊界，這是很保守的。根據(jù)本文提供的判定公式，只要燃油箱內(nèi)部隔板和擋板能表明可有效限制燃油流動時，即可判定為實體邊界。本文進行了實例分析供判定參考，供民用飛機整體油箱油壓載荷計算時使用。

民用飛機；整體油箱；實體邊界

民用飛機整體油箱是指存儲燃油用的機體盒段結(jié)構(gòu)，一般將機翼盒段作為整體油箱，部分型號還將尾翼盒段作為整體油箱。

適航規(guī)章中明確規(guī)定：每個燃油箱必須承受運行中可能遇到的振動、慣性、油液及結(jié)構(gòu)的載荷而不損壞。影響整體油箱油壓載荷的因素有：油箱形狀、飛機的載荷因數(shù)、燃油密度及飛機機動如俯仰、垂直突風等[1]。

目前，國內(nèi)各民用飛機型號間關(guān)于整體油箱油壓載荷的大小計算、影響區(qū)域等方面沒有統(tǒng)一的標準。通常采用偏保守的工程方法，油壓載荷偏大，這樣會犧牲結(jié)構(gòu)重量，導致生產(chǎn)成本的增加；油壓載荷的作用結(jié)構(gòu)考慮不全面，則會存在一定的安全風險；同時會造成不同型號在適航驗證時要做大量的重復工作，導致人力、物力的浪費。

在計算整體油箱油壓載荷時，實體邊界的判定有其重要的作用，直接影響油壓載荷的數(shù)值大小。

1 實體邊界的重要性

應(yīng)急著陸是一種動態(tài)瞬變的過程，燃油將在極短時間內(nèi)重新形成新的液面，此液面與慣性載荷方向垂直，其是復合載荷作用下的復雜動態(tài)過程，為了獲得簡單且偏于保守的設(shè)計準則，采用分解在每個方向上的靜態(tài)極限載荷來表征應(yīng)急著陸載荷。

燃油箱必須能在其內(nèi)部壓力P按以下公式變化的極限流體設(shè)計條件下，防止破裂并保留住燃油[2]：

式中：P為油箱內(nèi)每一點處的燃油壓力；ρ為典型燃油密度；g為重力加速度；L為壓力點與油箱最遠邊界（沿加載方向）之間的參考距離，具體見圖1所示。

K=4.5，用于機身壓力邊界之外的燃油箱部分向前載荷情況；

K=9，用于機身壓力邊界之內(nèi)或構(gòu)成機身壓力邊界的燃油箱部分向前載荷情況；

K=1.5，用于向后載荷情況；

K=3.0，用于機身壓力邊界之內(nèi)或構(gòu)成機身壓力邊界的燃油箱部分向里和向外的載荷情況；

K=1.5，用于機身壓力邊界之外的燃油箱部分向里和向外的載荷情況；

K=6，用于向下的載荷情況；

K=3，用于向上的載荷情況。

圖1 L示意圖

公式（1）中L為壓力點與油箱最遠邊界（沿加載方向）之間的參考距離，最遠邊界即為實體邊界。根據(jù)以往經(jīng)驗，密封肋才可作為油箱邊界，如果結(jié)構(gòu)上有開孔，則不能視為邊界。這是很保守的，也是本文進行實體邊界定義的意義所在。

2 實體邊界的判定

燃油箱內(nèi)部隔板和擋板，如能表明可有效限制燃油流動時，可考慮為實體邊界，只要：

（1）能承受飛機服役過程中預期的壓力載荷情況；

（2）根據(jù)燃油流動方向，隔板將燃油箱分為上游空間與下游空間。在至少0.5 s的時間內(nèi)，燃油無法從上游流動至下游。時間T保守的計算公式為：

式中：V為1 g平飛狀態(tài)下，燃油箱內(nèi)下游空間的空氣體積。下游空間應(yīng)是被實體隔板封閉的區(qū)域。在大部分情況下，可認為下游空間內(nèi)含2%的空氣體積；j為隔板上孔的數(shù)量；Cdi為孔i的排放系數(shù)，可保守的處理為Cdi=1，或者根據(jù)孔的大小和形狀來確定；ai為孔i的面積；g為重力加速度；hi為孔i上游空間的液壓油頭，包括所有被實體隔板封閉的燃油區(qū)域；K為預期條件下的油壓過載系數(shù)。

如要估算一個隔板是否為實體邊界時，可以按照T=0.5 s，依據(jù)公式，反推計算隔板上允許的開孔面積。

3 實例分析

如圖3所示為一個帶兩個橢圓形開孔及9個小孔的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其垂直于油頭方向，與前一個實體邊界的距離為h，油壓過載系數(shù)K=9時，判定此結(jié)構(gòu)是否可作為實體邊界。

圖2 要判定的結(jié)構(gòu)位置示意圖

圖3 要判定的結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)公式（1）推算，若為實體邊界，結(jié)構(gòu)上允許開孔的總面積為：

其中，前一個實體邊界與要判定的結(jié)構(gòu)之間的空間體積為2.3 m3，則V為空間體積的2%，為0.046 7 m3，T=0.5 s，Cd=1，h=1.016 m.

油壓過載系數(shù)K=9時,計算得到a=0.01 m2，圖3中，其中一個開孔面積為0.126 m2，則在油壓過載系數(shù)為9時，此結(jié)構(gòu)不能作為實體邊界來考慮。把兩個橢圓開孔用口蓋有效封閉后，只有9個小孔（總面積小于0.01 m2）的情況下，該結(jié)構(gòu)可以作為實體邊界。

4 結(jié)論

燃油箱內(nèi)部隔板和擋板，只要能表明可有效限制燃油流動時，即可判定為實體邊界。

本文提供了判定公式，并且進行了實例分析。供民用飛機整體油箱油壓載荷計算時使用。

[1]中國民用航空局.CCAR 25-R4中國民用航空規(guī)章第25部-運輸類飛機適航標準[S].2011.

[2]歐洲航空安全局.CS-25 Amdt17 Certification Specifications and Acceptable Means of Compliance for Large Aeroplanes [S].2015.

Research of the Solid Barrier for Integral Fuel Tank of Civil Aircraft

BO Xiao-li
（Department of Strength Design，Shanghai Institute of Aircraft Design and Research，Shanghai 200210，China）

The integral fuel tank of civil aircraft is wing box segment structure which saving fuel,when calculating the hydraulic pressure of the fuel tank,the solid barrier is very important.The fuel tank internal barriers and baffles may be considered as solid boundaries if shown to be effective in limiting fuel flow.The report provides formula to calculate it,and analysis an example.Provide some reference to calculate the hydraulic pressure of the fuel tank of civil aircraft.

civil aircraft；integral fuel tank；solid barrier

V228.1

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0039-02

2017-02-23

薄曉莉（1985-），女，安徽太和人，碩士研究生，工程師，研究方向：強度分析。