民航客機(jī)后壓力框球皮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)及分析

羅騰騰

【摘 要】后壓力框球皮結(jié)構(gòu)是飛機(jī)非常重要的結(jié)構(gòu)部件，主要承受客機(jī)身的氣密載荷。本文詳細(xì)分析了后壓力框結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，研究了球皮結(jié)構(gòu)半徑計(jì)算分析以及球皮結(jié)構(gòu)的加筋方式，并最終對(duì)該結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)球皮結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)變均符合設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞】后壓力框；加筋；數(shù)值分析；球皮結(jié)構(gòu)

0 引言

后壓力框球皮結(jié)構(gòu)主要承受飛機(jī)客艙內(nèi)的氣密載荷，是機(jī)身內(nèi)部一個(gè)封閉式的氣密結(jié)構(gòu)，是機(jī)身中重要的耐疲勞承力結(jié)構(gòu)，疲勞問(wèn)題需要重點(diǎn)考慮。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

后壓力框球皮結(jié)構(gòu)一般為柔性的，早期一般普遍使用金屬結(jié)構(gòu)，隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的主流機(jī)型基本上使用復(fù)材球皮結(jié)構(gòu)，一是大大的減輕了球皮結(jié)構(gòu)重量，二是降低了裝配工作量、提高了生產(chǎn)效率，現(xiàn)在國(guó)外大型客機(jī)后壓力框球皮結(jié)構(gòu)應(yīng)用復(fù)合材料的機(jī)型有A340、A380、B787、A350等。A340后壓力框球皮結(jié)構(gòu)采用碳纖維預(yù)浸料和泡沫夾心通過(guò)熱壓罐工藝一次固化成型；A350后壓力框球皮結(jié)構(gòu)采用NCF布和泡沫夾心通過(guò)VAP工藝一次固化成型；A380球皮結(jié)構(gòu)的材料為碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料面板和泡沫夾心加筋，利用了樹(shù)脂膜熔浸成形（RFI）工藝和熱壓罐二次固化成型工藝；B787 后壓力框使用中等模量碳纖維，利用真空輔助液體成型工藝VARTM（Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding）成型。C919飛機(jī)也采用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和生產(chǎn)工藝，在球皮結(jié)構(gòu)上使用了復(fù)合材料。

2 后壓力框球皮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

后壓力框球皮結(jié)構(gòu)需滿足以下設(shè)計(jì)要求：

a）后壓力框球皮結(jié)構(gòu)需滿足機(jī)身氣密載荷，包括限制增壓載荷、極限增壓載荷、限制負(fù)壓載荷、極限負(fù)壓載荷，還應(yīng)滿足AC20-107B關(guān)于疲勞及損傷容限的要求及沖擊條件下的氣密要求。

b）后壓力框的球皮結(jié)構(gòu)如果為復(fù)材，其材料的選取要滿足25.853適航條款中關(guān)于客艙內(nèi)部設(shè)施材料阻燃的要求。

3 后壓力框球皮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

后壓力框球皮結(jié)構(gòu)一般由球皮和加筋條組成，球皮為薄壁結(jié)構(gòu)，其中加筋條有徑向加筋、環(huán)向加筋和格柵加筋等三種方式，目前民用客機(jī)后壓力框球皮結(jié)構(gòu)普遍應(yīng)用的是徑向加筋方式——泡沫加筋。

3.1 球皮半徑計(jì)算分析

理想的球皮外形是一個(gè)規(guī)則球面，在機(jī)身艙內(nèi)增壓載荷作用下，球皮表面產(chǎn)生張力、無(wú)應(yīng)力集中出現(xiàn)，此時(shí)球皮結(jié)構(gòu)具有較好的抗疲勞性能。大多數(shù)情況下飛機(jī)后壓力框站的機(jī)身橫截面并不是正圓（一般情況下是由兩個(gè)及兩個(gè)以上的圓組成）。大多數(shù)情況下，為了簡(jiǎn)化球皮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采取了后壓力框球皮結(jié)構(gòu)內(nèi)接方案，球皮的理論外形為正球冠設(shè)計(jì)（空客比較偏好這種方案）；也可以調(diào)整好后壓力框站位的機(jī)身截面形狀，并對(duì)球皮外形進(jìn)行修形，獲得一個(gè)光滑的、曲率變化相對(duì)較小、受力均勻的球皮外形，B787采取此類設(shè)計(jì)方法。

對(duì)后壓力框站位附近的機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，如下圖1所示。其中，綠色虛線為機(jī)身理論外形，AB綠色實(shí)線為后壓力框站位的機(jī)身截面高度H，粉紅色圓弧線為球皮外形（此處假設(shè)為正球冠，球冠高度為h1），那么球冠半徑R的計(jì)算公式為：

R2=（R-h1）2+（H/2）2

求解公式，得半徑R=[（H/2）2+h12]/2h1

一般情況下，球冠高度h1的設(shè)定基本與飛機(jī)結(jié)構(gòu)維修性有關(guān)，在滿足維修性的前提下，增加球冠高度可獲得較好的受力特性（會(huì)付出重量代價(jià)）。根據(jù)機(jī)身的骨架模型設(shè)計(jì)和總體布置，球冠高度h1一般取一個(gè)框距左右，機(jī)身截面高度H一般與總體布置模型相關(guān)（此處是固定值）。

3.2 球皮加筋設(shè)計(jì)

由于球皮結(jié)構(gòu)格柵加筋具有較好的損傷容限特性，在負(fù)壓作用下具有較好的穩(wěn)定特性，因此對(duì)球皮采取格柵加筋形式。飛機(jī)垂向Y和橫向Z分別為球皮結(jié)構(gòu)的0°和90°方向，該兩個(gè)方向上的加筋正好彌補(bǔ)了該區(qū)域曲率變化大引起的結(jié)構(gòu)性能下降，如下圖2所示，徑向加筋分布（輻狀黃色粗線）左右對(duì)稱，讓球皮加筋結(jié)構(gòu)達(dá)到均衡分布。由于在±45°方向布置了NCF布的材料主方向，故±45°的加筋結(jié)構(gòu)要盡可能的長(zhǎng)、參與更多的徑向傳力、使結(jié)構(gòu)效率最高，綜合考慮每個(gè)球皮格子的受力大小，該加筋可適當(dāng)縮減一個(gè)環(huán)向格子距離以滿足球皮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和重量?jī)煞矫娴男枨蟆?/p>

3.3 球皮受力分析

設(shè)定球皮鋪層為[（±45），（0/90），（±45）]s，環(huán)向加筋加筋和徑向加筋寬度均為60mm，加筋鋪層[（±45），0，（0/90），0，（±45），0]s，基本使用6層單向帶，使用VARI液體成型工藝，碳纖維體積占比為56%，誤差±2%，應(yīng)用材料NCF織物拉伸模量≥240Gpa，EP2400環(huán)氧樹(shù)脂CSAI>200MPa@30J。

后壓力框結(jié)構(gòu)的主要載荷：限制增壓載荷82KPa、極限增壓載荷124KPa、限制負(fù)壓載荷-9KPa和極限負(fù)壓載荷-14KPa，球皮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要考慮其極限負(fù)壓載荷的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求。對(duì)球皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，均使用殼單元shell，拉伸應(yīng)變最大3500με。

在極限增壓載荷工況下球皮變形位移最大為7.5mm；在極限增壓載荷工況下球皮應(yīng)變最大為1265με；在極限增壓載荷工況下格柵加筋結(jié)構(gòu)應(yīng)變最大為1159με。符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料后壓力框球皮結(jié)構(gòu)在主流民機(jī)上均有較大程度的應(yīng)用，新型研發(fā)的寬體機(jī)型基本上完全使用了復(fù)材球皮結(jié)構(gòu)方案。

【參考文獻(xiàn)】

[1]牛春勻，著.《實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)》.北京：航空工業(yè)出版社，2008，174-189.

[2]中國(guó)航空研究院編著.《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》.航空工業(yè)出版社，2001.

[3]牛春勻，著.《實(shí)用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造》.航空工業(yè)出版社，2010.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint