破損安全設計在民用飛機襟翼運動機構中的應用

袁堅鋒 董 萌 陳 炎

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

后緣襟翼是現(xiàn)代民用飛機提高起飛重量、縮短起降滑跑距離、提高機場適應性的關鍵增升裝置，它能使飛機在低速飛行時保持較高的升力系數(shù)[1]。當前主流機型實現(xiàn)襟翼運動的機構主要有3種形式：固定鉸鏈機構、四連桿機構和滑軌類機構[2]。富勒襟翼一般通過曲柄直線滑軌運動機構實現(xiàn)，通常布置在機翼下表面，包括有滑軌、滑軌連接接頭、滑輪架、驅動連桿、搖臂等結構，如圖1所示。A350XWB和波音787均采用先進鉸鏈單縫襟翼[3-4]，襟翼與支臂連接的位置通常在氣動載荷的合力作用點附近，驅動連桿與襟翼的連接位置一般位于襟翼的前緣，如圖2所示。

圖1 直線滑軌運動機構

圖2 先進鉸鏈襟翼運動機構

在現(xiàn)代飛機結構設計中，為了保證結構安全，主要部件大多采用損傷容限設計概念，其中破損安全設計是一個重要途徑[5]。有學者指出，所有可能引起災難性破壞的結構原則上都要按損傷容限要求進行設計[6]。彭森等[7]在研究民用飛機發(fā)動機安裝節(jié)破損安全設計后指出任意一條傳力路徑失效后，其余結構應能承受限制載荷。

損傷容限設計是當前國際上通用的民用飛機設計原則，在損傷容限設計原則下，破損安全結構是當前民用飛機后緣襟翼運動機構的主流設計。

1 襟翼運動機構破損安全要求

1.1 破損安全結構

破損安全結構通常分為破損安全止裂結構和破損安全多傳力結構[8]。破損安全止裂結構的設計思想為：在結構完全破壞前，裂紋的不穩(wěn)定快速擴展停止在結構的某個連續(xù)區(qū)內的結構，其安全性依靠剩余結構的緩慢裂紋擴展和在后續(xù)的各次損傷檢測中來保證。在規(guī)定的不修理使用(服役)期內，剩余未損傷結構的強度不應降低到規(guī)定的水平以下[9]。

破損安全多傳力結構的設計思想為：通過設計備用結構，使得飛機結構在主傳力結構失效后，載荷由備用結構承擔，來保證飛機結構的安全。根據(jù)備用結構與主傳力結構參與受力的先后關系，可再分為共同承力破損安全結構和等待破損安全結構。

共同承力破損安全結構是備用結構與主傳力結構在飛機服役過程中同時承擔載荷的形式，主傳力結構失效后，由備用結構承載，來保證飛機結構安全，通常要求共同承力破損安全結構的主、副結構分別具有承受限制載荷的能力；等待破損安全是在主傳力結構失效后，備用結構才開始承受載荷，通過備用結構來保證飛機結構安全[10]，等待破損安全的主結構要求具有承受極限載荷的能力，副結構要求具有承受限制載荷的能力。

1.2 襟翼運動機構破損安全結構應用場景

襟翼運動機構破損安全設計選型如圖3所示。通常，等待破損安全結構較共同承載破損安全結構具有更高的安全性，但會帶來重量增加的代價。等待破損安全設計宜用于可檢性較差部位，如滑軌與機翼連接吊點，以實現(xiàn)全壽命期不需要進行分解檢查的目的；對于方便檢查部位，如滑輪架與襟翼連接耳片，鉸鏈襟翼支、搖臂耳片等，適合采用共同承力破損安全結構，在保證損傷容限要求的前提下減小結構重量。

圖3 襟翼運動機構破損安全設計選型

1.3 襟翼運動機構破損安全結構檢查要求確定方法

1.3.1 裂紋擴展曲線

共同承力破損安全結構和等待破損安全結構的裂紋擴展曲線如圖4和圖5所示。圖中橫坐標軸為循環(huán)次數(shù)，縱坐標軸為裂紋長度，紅色曲線為主結構裂紋擴展曲線，藍色曲線為副結構裂紋擴展曲線，aip和ais分別為主、副結構裂紋的初始長度，adet為主結構裂紋的可檢長度，NPF和NSF分別為主、副結構裂紋擴展到臨界長度時的循環(huán)次數(shù)，np為主結構裂紋從可檢長度擴展到臨界長度之間的循環(huán)次數(shù)，ns為副結構裂紋從主結構裂紋達到臨界長度至自身臨界長度之間的循環(huán)次數(shù)。

對于共同承力破損安全結構，第1階段主、副結構上的裂紋共同擴展，但主結構裂紋擴展速率大于副結構，當主結構裂紋擴展到臨界長度(仍能承受剩余強度載荷)時認為失效。主結構失效后，副結構裂紋擴展進入第2階段，此時副結構承受全部載荷，裂紋擴展速率顯著提高，直到副裂紋尺寸擴展到臨界長度，此時副裂紋也應具有獨自承受剩余強度載荷的能力。

等待破損安全結構的裂紋擴展曲線與共同承力破損安全結構不同，副結構的裂紋長度在第1階段不發(fā)生變化。相對應地，主結構因承受全部載荷會具有相對較高的裂紋擴展速率，因而其裂紋從可檢長度擴展到臨界長度之間的循環(huán)次數(shù)np相對較少。副結構裂紋從第2階段開始擴展，其ns相對較大，等于副結構裂紋從自身初始長度擴展到臨界長度的循環(huán)次數(shù)。

圖4 共同承力破損安全結構裂紋擴展示意圖

圖5 等待破損安全結構裂紋擴展示意圖

1.3.2 檢查門檻值

破損安全結構的檢查門檻值為破損安全結構(通常為副結構)從初始缺陷尺寸擴展到臨界裂紋長度之間的時間間隔除以分散系數(shù)，如式(1)所示：

(1)

式中：

Ith——檢查門檻值；

NSF——副結構擴展到臨界尺寸循環(huán)次數(shù)；

K1——檢查門檻值分散系數(shù)，通常取2.0。

1.3.3 重復檢查間隔

重復檢查間隔取主結構裂紋達到可檢長度至副結構裂紋擴展到臨界長度之間的間隔除以分散系數(shù)，如式(2)所示：

(2)

式中：

Irec——重復檢查間隔；

np——主結構裂紋從可檢長度擴展到臨界長度之間的循環(huán)次數(shù)；

ns——副結構裂紋從主結構裂紋達到臨界長度至自身臨界長度之間的循環(huán)次數(shù)；

K2——重復檢查間隔分散系數(shù)，通常取3.0。

2 襟翼運動機構破損安全設計分類

2.1 按相對位置分類

2.1.1 同位結構

滑軌運動機構中連接襟翼和滑輪架的吊掛耳片為關鍵傳力結構，服役期內承受很大的集中載荷。此類耳片通常設計為3層共鉚結構，圖6所示，外側布置2片鋁合金耳片作為主結構，中間布置1片疲勞性能更好(如鈦合金或合金鋼)的耳片作為副結構達到破損安全設計目的。

圖6 吊掛耳片示意圖

圖7 滑輪架示意圖

滑軌運動機構中的滑輪架同樣可通過布置同位耳片的方式實現(xiàn)破損安全設計要求，如圖7所示。該破損安全耳片為多功能結構，一方面作為滑輪架主耳片的副結構傳遞集中載荷，另一方面副耳片底部的破損安全“鉤”可在滑輪架滾輪失效后將滑輪架固定在滑軌上防止襟翼脫開。

根據(jù)結構特點，同位結構可通過控制連接孔的理論直徑和公差，實現(xiàn)共同承載破損安全設計或等待破損安全設計。

2.1.2 異位結構

在一些空間狹小不能實現(xiàn)多層式破損安全結構布置的部位，可采用異位結構實現(xiàn)多傳力路徑設計。對于異位結構，主承力結構失效后，傳力路徑和載荷分配將會發(fā)生變化。

滑軌根部連接區(qū)為典型破損安全異位結構，在機翼下表面和襟翼運動機構整流罩圍成的小空腔中，通過布置相互垂直的兩個剪切銷，與相應的耳片組成2條獨立傳力路徑，主傳力路徑由主剪切銷和主吊掛耳片組成，副傳力路徑由破損安全銷和破損安全耳片組成，如圖8所示。

甲洛洛的一股怒氣直往上竄：你這輩子除了喝酒和打老婆還干過什么像樣的事，居然還來取笑我！甲洛洛心里疼快地罵著，臉上卻一副哀傷的模樣：老鄧，你可別折磨了登子，大家都是苦命人。甲洛洛說著停下腳步，看著老鄧挺著大肚子，手里一搖一晃著他的兩瓶酒，頭也不回的遠去了，甲洛洛在他身后狠狠地吐了口唾沫：狗都不如！

圖8 滑軌根部連接示意圖

另一個典型部位為滑軌中部連接區(qū)，該區(qū)域包含4個連接銷。滑軌通過主承力銷與機翼后緣接頭連接，并與滑軌根部連接區(qū)共同將襟翼滑軌固定在機翼下表面。主承力銷的作用為傳遞襟翼全部航向載荷及部分橫向載荷，并在地面停機時承受襟翼自重產生的載荷。由于襟翼滑軌表面應力水平較高且寬度有限，難以在主承力銷位置設計大開口加多層式同位結構，故可設計異位結構將傳力路徑分離，如圖9所示。主承力銷前側布置1個直徑較大的連接銷(破損安全銷1)作為傳遞航向和橫向載荷的副結構；兩側布置2個直徑較小的連接銷(破損安全銷2和破損安全銷3)作為傳遞垂向載荷的副結構，通過設計其與安裝孔的間隙實現(xiàn)副結構載荷路徑的相對獨立。

圖9 滑軌中部連接示意圖

2.2 按結構特點分類

2.2.1 平板結構

襟翼運動機構中的破損安全結構還可按結構特點分為平板結構和鉸鏈結構2類。對于存在較大平面的平板結構，便于共鉚連接，適合將破損安全結構緊貼平面布置。典型結構為鉸鏈襟翼支臂，由2塊支撐板結構組成，其與搖臂連接耳片為傳遞集中載荷的關鍵部位，在耳片處布置破損安全耳片作為副結構，如圖10所示。鉸鏈襟翼搖臂同樣為平板類結構，通過設計3層共鉚結構實現(xiàn)破損安全要求，如圖11所示。

圖10 內側襟翼支臂示意圖

圖11 內側襟翼搖臂示意圖

3.2.2 鉸鏈結構

襟翼運動機構中構件交點處通常設置為球副或旋轉副，交點處連接件傳遞大載荷，需要設計為破損安全結構。對于球副連接，如圖12所示鉸鏈機構驅動連桿與襟翼連接部位較為典型，通過設計多層軸承結構，使主承力軸承頸部R區(qū)失效后載荷可通過破損安全銷傳遞，并維持該連接結構完整不致襟翼脫開。

圖12 驅動連桿與襟翼連接示意圖

鉸鏈襟翼驅動臂和驅動連桿通過旋轉副連接，將驅動器輸入扭矩轉化為驅動力推動襟翼機構。此處旋轉副可設計成主承力銷套破損安全銷的結構形式，通過控制二者間隙實現(xiàn)主、副結構同時傳載或等待破損安全設計，如圖13所示。

圖13 驅動臂和驅動連桿連接示意圖

3 襟翼運動機構破損安全設計流程

襟翼運動機構破損安全設計流程如下：

1)根據(jù)結構位置和連接形式等特點確定是否為容易檢查部位。若為容易檢查部位，設計成共同承力破損安全結構；若不便于檢查，則選擇等待破損安全結構；

2)若設計為等待破損安全結構，需根據(jù)襟翼設計載荷和全機有限元模型進行變形計算，確定結構安裝間隙；

3)進行靜強度分析。對于共同承力破損安全結構，需要滿足主、副結構均能獨立承受限制載荷；對于等待破損安全結構，需要滿足主結構承受極限載荷、副結構承受限制載荷的要求；若分析結果不滿足要求，則返回重新設計；

4)進行疲勞和損傷容限分析，確定破損安全結構的檢查門檻值和重復檢查間隔；若分析結果不滿足要求，則返回重新設計；

5)根據(jù)分析結果，制定結構檢查大綱。

4 典型民用飛機富勒襟翼滑軌等待破損安全最小間隙

4.1 最小安裝間隙和設計間隙

典型民用飛機富勒襟翼滑軌與機翼連接區(qū)位于整流罩固定段內部，可檢性差，通常采用等待破損安全設計。

實現(xiàn)等待破損安全的主要手段為控制副結構安裝間隙，使其在主結構失效前不參與載荷傳遞。最小安裝間隙可根據(jù)后緣襟翼設計載荷和全機有限元模型計算確定。同時，考慮零件制造和裝配公差，實際設計間隙應大于最小安裝間隙。

4.2 典型富勒襟翼滑軌與機翼連接區(qū)

圖14 典型富勒襟翼滑軌與機翼連接區(qū)示意圖

典型富勒襟翼滑軌與機翼連接區(qū)如圖14所示。前接頭連接區(qū)由前剪切銷和破損安全銷組成，破損安全銷為備份結構。吊掛螺栓連接區(qū)由主吊掛螺栓、備份吊掛螺栓和備份剪切銷組成。正常情況下，所有載荷均通過主吊掛螺栓傳遞。

4.3 最小安裝間隙設計要求

4.3.1 前接頭連接區(qū)

前接頭連接區(qū)由前剪切銷和破損安全銷組成。前剪切銷失效后，由破損安全銷代替前剪切銷傳遞垂向和橫向載荷。破損安全銷與孔的間隙應滿足：

1)前剪切銷未失效時，破損安全銷與連接孔不發(fā)生接觸；

2)前剪切銷未失效時，滑軌與前接頭間不發(fā)生橫向載荷傳遞。

4.3.2 吊掛螺栓連接區(qū)

吊掛螺栓連接區(qū)包括主吊掛螺栓、備份吊掛螺栓及備份剪切銷。主吊掛螺栓失效后，備份吊掛螺栓代替主吊掛螺栓承受垂向載荷，備份剪切銷代替主吊掛螺栓承受航向和橫向載荷。各零件安裝間隙應滿足：

1)主吊掛螺栓失效前，備份吊掛螺栓、備份剪切銷與連接孔不發(fā)生接觸；

2)主吊掛螺栓失效后，備份剪切銷與連接孔接觸，備份吊掛螺栓與連接孔不發(fā)生接觸；

3)襟翼正升力工況，主吊掛螺栓和備份吊掛螺栓處滑軌均不與機翼盒段發(fā)生垂向載荷傳遞。

4.3.3 聯(lián)合要求

根據(jù)滑軌傳力路線設計，前接頭連接區(qū)負責垂向和橫向載荷傳遞，吊掛螺栓連接區(qū)負責航向和橫向載荷傳遞，兩區(qū)域有如下聯(lián)合間隙要求：主吊掛螺栓失效后，備份剪切銷與連接孔接觸，前接頭破損安全銷與連接孔沿航向不發(fā)生接觸。

5 總結

本文基于破損安全設計思想，根據(jù)民用飛機后緣襟翼運動機構特點，深入研究了鉸鏈機構和滑軌機構兩種主流襟翼運動機構的破損安全設計思想及設計方法，同時提出了典型富勒襟翼滑軌等待破損安全最小設計間隙確定方法，總結如下：

1)根據(jù)結構特點和損傷容限要求，給出襟翼運動機構破損安全設計要求和不同類型的破損安全結構使用場景；

2)基于裂紋擴展方法和主、副結構裂紋獨立擴展的原則，給出了不同類型破損安全結構的裂紋擴展曲線、檢查門檻值和重復檢查間隔的確定方法；

3)針對鉸鏈襟翼和滑軌襟翼運動機構的傳力和連接特點，從主、副結構的相對位置出發(fā)提出了同位結構和異位結構的分類方式，從結構特點出發(fā)提出了平板結構和鉸鏈結構的分類方式，同時給出基于可檢性分類的運動機構破損安全設計流程；

4)給出了典型富勒襟翼滑軌最小安裝間隙和設計間隙的定義及確定方法，對民用飛機研制具有重要意義。