基于進(jìn)氣道前段平臺(tái)的天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

樊欣迪，齊國(guó)芳

(1.中航飛機(jī)股份有限公司西飛設(shè)計(jì)院 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所，西安 710089；2.中航飛機(jī)股份有限公司蒙皮成形廠 技術(shù)室蒙皮工藝組，西安 710089)

0 引言

航空類天線罩是功能性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，保護(hù)天線系統(tǒng)免受外部環(huán)境影響。航空類天線罩在電氣性能上具有良好的電磁波穿透特性，在機(jī)械性能上能經(jīng)受外部惡劣環(huán)境，同時(shí)減輕天線系統(tǒng)的磨損、腐蝕和老化，延長(zhǎng)使用壽命。

在傳統(tǒng)的天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，維護(hù)口蓋與天線罩的結(jié)構(gòu)是相互獨(dú)立的，使結(jié)構(gòu)的日常維護(hù)和維修工作量大，而且生產(chǎn)裝配裝配也更加復(fù)雜。本文通過(guò)設(shè)計(jì)改裝，將維護(hù)口蓋與測(cè)向天線罩進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，既保證了測(cè)向天線罩的加裝要求，又保證了其具有可快速拆卸檢修和更換的要求，結(jié)構(gòu)輕巧可靠且易施工。

1 結(jié)構(gòu)概述

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙位于機(jī)身兩側(cè)機(jī)翼根部，主體結(jié)構(gòu)由發(fā)動(dòng)機(jī)短艙前段、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙中段、進(jìn)氣道、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙中后段等組成，用于發(fā)動(dòng)機(jī)引氣、整流、尾噴氣體的導(dǎo)流以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的保護(hù)，選用的主要材料是鋁合金。

進(jìn)氣口前緣由蒙皮、波紋板、盒形件、隔框、隔板等組成。蒙皮、盒形件、波紋板和隔框均由不銹鋼0Cr18Ni9制造，其余零件均為硬鋁零件，整個(gè)結(jié)構(gòu)為鉚接結(jié)構(gòu)。進(jìn)氣口前緣為可卸結(jié)構(gòu)，外部用托板螺母固定在短艙前段的骨架上，內(nèi)部用螺栓固定在法蘭盤上，前緣的作用是捕獲氣流，并使捕獲的氣流以層流狀態(tài)進(jìn)入進(jìn)氣道。

按照飛機(jī)加裝測(cè)向天線的要求，需要將兩個(gè)測(cè)向天線對(duì)稱安裝在左、右發(fā)動(dòng)機(jī)短艙前段進(jìn)氣唇口外側(cè)。為滿足天線加裝的需要，對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)短艙前段(唇口)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、全新設(shè)計(jì)復(fù)合材料天線罩并進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 位置選擇

根據(jù)《實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》[1]第5章以及《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第10冊(cè)[2]第26章可知此次改裝測(cè)向天線有如下要求：

一是安裝位置要求，測(cè)向天線安裝平面垂直法線與飛機(jī)順航向夾角“45°±1°”；安裝后的上沿與飛機(jī)構(gòu)造水平面平行；

二是天線波束不受發(fā)動(dòng)機(jī)唇口反射影響，機(jī)上安裝需保證天線陣面延展面在發(fā)動(dòng)機(jī)唇口前側(cè)；

三是前方范圍內(nèi)不能有金屬物遮擋；

四是根據(jù)天線高度，使安裝天線時(shí)底部與蒙皮不產(chǎn)生干涉。

測(cè)向天線安裝位置范圍如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)短艙前段4長(zhǎng)桁軸線與5長(zhǎng)桁軸線之間，外形較為平緩，前方范圍內(nèi)沒(méi)有金屬物遮擋，天線波束不受發(fā)動(dòng)機(jī)唇口反射影響測(cè)向性能，滿足測(cè)向天線對(duì)位置的需求。

2.2 改裝方案

為滿足測(cè)向天線罩的安裝，同時(shí)考慮連接本體結(jié)構(gòu)的布局形式，施工工藝性及維護(hù)性，初步考慮以下兩種方案：

2.2.1 方案一

將測(cè)向天線罩外形向內(nèi)增厚曲面，確定測(cè)向天線罩位置，在口蓋上開(kāi)出測(cè)向天線設(shè)備通過(guò)孔，用托板螺母將測(cè)向天線罩與蒙皮進(jìn)行搭接，方案一示意圖如圖2所示。該方案連接區(qū)覆蓋于維護(hù)口蓋之上，帶來(lái)了維護(hù)口蓋的使用不便，使得改裝工序繁瑣，維修性較差，同時(shí)內(nèi)部空間緊張，導(dǎo)致不易在骨架內(nèi)部進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，測(cè)向天線罩連接強(qiáng)度較弱。

2.2.2 方案二

將測(cè)向天線罩外形向內(nèi)增厚曲面，確定測(cè)向天線罩位置，并增加裝配邊緣，取消原維護(hù)口蓋，將原蒙皮按測(cè)向天線罩外形切口，新增加強(qiáng)型材若干，通過(guò)托板螺母與進(jìn)氣口骨架連接，方案二示意圖如圖3所示。該方案不僅滿足了原有口蓋結(jié)構(gòu)的維護(hù)性，同時(shí)將維護(hù)口蓋與測(cè)向天線罩制成一體后，改裝的開(kāi)敞性較好，便于結(jié)構(gòu)連接區(qū)的加強(qiáng)及測(cè)向天線的安裝，更好的滿足了強(qiáng)度要求。結(jié)合上述方案對(duì)比分析，最終選定方案二。

圖2 方案一示意圖

圖3方案二示意圖

2.3 測(cè)向天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 材料選擇

由于測(cè)向天線罩有透波需求，需良好的透過(guò)不同角度入射的電磁波。在低頻電場(chǎng)的直接作用下，金屬為導(dǎo)體，非金屬材料屬絕緣體。當(dāng)材料處于高頻電場(chǎng)時(shí)，絕緣體變?yōu)楦哳l電場(chǎng)的透過(guò)材料，而金屬會(huì)成為電磁波的屏蔽材料。因此測(cè)向天線罩不能選擇使用金屬材料，而需要選擇具有絕緣性的復(fù)合材料。

航空中常用復(fù)合材料有碳纖維和玻璃鋼兩種。碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)過(guò)一系列熱處理轉(zhuǎn)化而成，含碳量高于90%的無(wú)機(jī)高性能纖維具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、高強(qiáng)度、耐高溫、耐摩擦及耐腐蝕性；玻璃鋼，即纖維強(qiáng)化塑料，具有外形美觀、電性能好(微波透過(guò)性良好)、輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、熱性能良好、可設(shè)計(jì)性好、工藝性優(yōu)良、加工運(yùn)輸及安裝方便、電絕緣性佳、透波性強(qiáng)、防紫外線、抗沖擊，在高溫、低寒等惡劣環(huán)境中依然性能良好等。故該復(fù)合材料天線罩采用玻璃鋼及其復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)制造，將其作為測(cè)向天線最外圍的保護(hù)罩，該復(fù)合材料天線罩發(fā)揮了其獨(dú)特的電性能、質(zhì)輕等優(yōu)勢(shì)，大大提高了測(cè)向天線的優(yōu)良物性。

根據(jù)《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[3]4.5節(jié)鋪層設(shè)計(jì)以及《復(fù)合材料手冊(cè)(第3卷)》[4]2.2.3節(jié)鋪層順序可知鋪層設(shè)計(jì)原則有以下方面：

(1)層壓板外表面選用±45°鋪層時(shí)，穩(wěn)定性、耐沖擊性及連接性能都較其他鋪層方向好；

(2)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量采用對(duì)稱鋪層，并均衡鋪貼，以減少固化變形；

(3)從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、減少泊松比和熱應(yīng)力及避免樹(shù)脂直接受載考慮，建議一個(gè)構(gòu)件中應(yīng)同時(shí)包含4種鋪層，如在0°、±45°的層壓板中必須有6～10%的90°鋪層；

(4)對(duì)于由0°、90°和±45°鋪層組成的結(jié)構(gòu)，上述任一鋪層角的鋪層，其最小鋪層百分比一般不小于6%；

(5)避免使用同一方向的鋪層組，如果使用，不得多于4層；避免使用90°的鋪層組；

(6)相鄰鋪層間夾角一般不大于60°；

(7)在集中力擴(kuò)散部位應(yīng)進(jìn)行局部加強(qiáng)，除在主應(yīng)力方向配置足夠的鋪層外，還應(yīng)配置一定數(shù)量與主應(yīng)力方向成±45°的鋪層，以利于內(nèi)力擴(kuò)散；

(8)應(yīng)按照受力情況和剛度要求設(shè)計(jì)鋪層，鋪層的纖維軸線應(yīng)盡量與內(nèi)力的拉、壓方向一致，剪切(扭轉(zhuǎn))主要由±45°鋪層承受；

(9)當(dāng)設(shè)計(jì)直接與鋁合金或合金鋼接觸的碳纖維構(gòu)件時(shí)，其表面應(yīng)布置玻璃布層，以避免電偶腐蝕。

根據(jù)以上分析，測(cè)向天線罩?jǐn)M采用玻璃鋼層合板構(gòu)成的雙曲面殼體，鋪層材料為XMS1113型III類1581型A級(jí)，單層厚度為δ0.25，共鋪8層，總厚度為δ2，鋪層方向?yàn)椋篬+45°/0°/-45°/90°]s。測(cè)向天線罩鋪層表如表1所示。

經(jīng)有限元分析，該復(fù)合材料天線罩滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)2.4強(qiáng)度校核及疲勞強(qiáng)度分析。

對(duì)去細(xì)胞處理后保存有神經(jīng)基底膜管的實(shí)驗(yàn)組大鼠股神經(jīng)皮支和肌支行拉曼光譜分析，顯示股神經(jīng)皮支和肌支波峰出現(xiàn)位置無(wú)差異，主要含有脂類和蛋白質(zhì)及微量核酸（見(jiàn)圖6）。

表1 測(cè)向天線罩鋪層表

2.3.2 結(jié)構(gòu)連接及加強(qiáng)設(shè)計(jì)

原結(jié)構(gòu)為維護(hù)口蓋，具有維修性和可更換功能。故考慮到結(jié)構(gòu)的維修性和可達(dá)性，復(fù)合材料天線罩應(yīng)為可卸結(jié)構(gòu)，并具備可快速拆卸檢修、更換功能，因此，設(shè)計(jì)托板螺母將天線罩與骨架結(jié)構(gòu)連接完成復(fù)合材料天線罩與唇口的連接。

圖4測(cè)向天線罩結(jié)構(gòu)改裝示意圖

由于原結(jié)構(gòu)天線罩為水滴形、中空，中間處無(wú)法與骨架進(jìn)行連接，如果直接將其與骨架相連，則只能與四周型材進(jìn)行相連，連接點(diǎn)過(guò)少且強(qiáng)度較弱，飛行時(shí)測(cè)向天線罩可能會(huì)在連接處撕裂。因此在原結(jié)構(gòu)處增加加強(qiáng)型材，測(cè)向天線罩與加強(qiáng)型材通過(guò)托板螺母連接，實(shí)現(xiàn)可卸需求。測(cè)向天線罩結(jié)構(gòu)改裝示意圖如圖4所示。

2.4 強(qiáng)度校核及疲勞強(qiáng)度分析

對(duì)上述結(jié)構(gòu)改裝方案用有限元分析方法進(jìn)行強(qiáng)度分析。具體如下：

根據(jù)不同飛行姿態(tài)，共選取了3種不同載荷工況進(jìn)行分析，各飛行工況參數(shù)如表2所示，計(jì)算時(shí)取安全系數(shù)1.5。

表2 飛行工況參數(shù)

2.4.1 有限元計(jì)算模型

建立測(cè)向天線罩及其安裝結(jié)構(gòu)的有限元模型。建模時(shí)將測(cè)向天線罩簡(jiǎn)化為板單元，將連接型材簡(jiǎn)化為桿單元，測(cè)向天線罩有限元模型如圖5所示。由于測(cè)向天線質(zhì)量較小，測(cè)向天線的慣性載荷遠(yuǎn)小于測(cè)向天線罩上的氣動(dòng)載荷，計(jì)算時(shí)忽略了測(cè)向天線的慣性載荷，將測(cè)向天線罩的氣動(dòng)載荷施加測(cè)向天線罩上，將測(cè)向天線罩有限元模型連接到發(fā)動(dòng)機(jī)短艙上，在發(fā)動(dòng)機(jī)短艙遠(yuǎn)端約束并進(jìn)行計(jì)算。

2.4.2 分析結(jié)果

縱向拉伸強(qiáng)度：Xt=223.0 MPa；縱向壓縮強(qiáng)度：Xc=186.8 MPa；橫向拉伸強(qiáng)度：Yt=184.8 MPa；橫向壓縮強(qiáng)度：Yt=114.7 MPa；縱橫剪切強(qiáng)度：S=28.8 MPa。

針對(duì)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)，參考《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第9冊(cè)[5]29.4.1.3節(jié)，采用蔡-胡失效準(zhǔn)則進(jìn)行強(qiáng)度校核，其強(qiáng)度比方程為：

上述公式中的參數(shù)為：

圖6測(cè)向天線罩應(yīng)力云圖

根據(jù)單元的應(yīng)力值求解強(qiáng)度比方程，方程的根取正值，即為單元剩余強(qiáng)度系數(shù)η。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，測(cè)向天線罩部分受力嚴(yán)重單元計(jì)算應(yīng)力及剩余強(qiáng)度系數(shù)如表3所示；嚴(yán)重工況下，測(cè)向天線罩應(yīng)力云圖如圖6所示。

根據(jù)單元的應(yīng)力值求解強(qiáng)度比方程，方程的根取正值，即為單元剩余強(qiáng)度系數(shù)η。

表3 測(cè)向天線罩部分受力嚴(yán)重單元計(jì)算應(yīng)力及剩余強(qiáng)度系數(shù)

續(xù)表3

單元層號(hào)σ1σ2τ12η工況117928-6.0-0.94.95.611179780.7-3.94.95.611290422.33.4-5.35.61117768-1.13.55.15.711177370.40.4-5.15.71117968-3.3-3.84.56.01

由表3數(shù)據(jù)可以看出，單元11661(工況1)受載最嚴(yán)重，其剩余強(qiáng)度系數(shù)η=4.1。

2.4.3 連接螺釘強(qiáng)度分析

螺釘材料為ML25，規(guī)格為M5×12，強(qiáng)度極限σb=515 MPa。測(cè)向天線罩前部受載嚴(yán)重，天線罩前部節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果如表4所示，表中Px、Py、Pz分別為節(jié)點(diǎn)在三個(gè)方向上的受力。

表4 天線罩前部節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核：

螺釘拉應(yīng)力為：

螺釘剪應(yīng)力為：

螺釘綜合應(yīng)力為：

剩余強(qiáng)度系數(shù)為：

2.4.4 孔擠壓強(qiáng)度分析

螺釘連接處測(cè)向天線罩玻璃鋼厚度t=2 mm，釘孔直徑d=5 mm，玻璃鋼擠壓強(qiáng)度取預(yù)浸布的橫向壓縮強(qiáng)度：σb=209.0 MPa。由以上可知，螺釘所受最大剪力為129 N(工況1)，故孔邊擠壓應(yīng)力為：

則剩余強(qiáng)度系數(shù)為：

2.4.5 疲勞強(qiáng)度分析

根據(jù)《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第9冊(cè)[5]29.8.3節(jié)內(nèi)容可知，在復(fù)合材料設(shè)計(jì)中，按照“靜力覆蓋疲勞”設(shè)計(jì)原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因而復(fù)合材料測(cè)向天線罩在滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的前提下，滿足疲勞壽命要求。

根據(jù)《螺栓和耳片強(qiáng)度分析手冊(cè)》可知，螺栓螺紋終止面處的應(yīng)力集中系數(shù)為2.4，螺栓螺紋根部圓角處的應(yīng)力集中系數(shù)取2.6。因此評(píng)估疲勞強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)保守取值3。

根據(jù)《工程材料實(shí)用手冊(cè)》第1冊(cè)可知，ML25號(hào)鋼在Kt=1，R=-1時(shí)的疲勞極限為225.0 MPa。由6.3.1靜強(qiáng)度計(jì)算可知，螺釘在極限載荷下的應(yīng)力水平為126.1 MPa，在疲勞載荷作用下，螺釘最大應(yīng)力水平為：

將Smax1=252.2 MPa，Smax2=225.0 MPa，N2=1×107代入公式，得到N1=6.39×106，考慮6的分散系數(shù)，螺釘?shù)钠趬勖鼮?.07×106，遠(yuǎn)大于飛機(jī)的6000次起落，即螺釘滿足使用要求。

通過(guò)以上計(jì)算、分析，測(cè)向天線罩及其連接滿足靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，各部位最小剩余強(qiáng)度系數(shù)如表5所示。

表5 各部位最小剩余強(qiáng)度系數(shù)

3 結(jié)論

本文對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙前段增加測(cè)向天線方案進(jìn)行了論證，全新設(shè)計(jì)了復(fù)合材料天線罩，分析了不同載荷工況下復(fù)合材料天線罩結(jié)構(gòu)的可靠性。對(duì)復(fù)合材料天線罩安裝后發(fā)動(dòng)機(jī)短艙前段唇口區(qū)域在變化的流場(chǎng)下進(jìn)行了有限元分析。

經(jīng)驗(yàn)證，本次改進(jìn)結(jié)構(gòu)輕巧可靠，實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)要求，并實(shí)現(xiàn)了口蓋與天線罩一體化的設(shè)計(jì)，具有可快速拆卸檢修和更換的功能。