民用飛機(jī)襟翼保險(xiǎn)銷斷離強(qiáng)度試驗(yàn)研究

卓 軼，張文東

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所三室，陜西 西安 710065)

1 引 言

民用飛機(jī)在應(yīng)急著陸時(shí)，機(jī)翼油箱連接結(jié)構(gòu)必須及時(shí)斷離，避免油箱撕裂破壞形成火災(zāi)或煙霧，對(duì)人員造成傷害[1]。因此，將飛機(jī)襟翼與機(jī)翼連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成保險(xiǎn)銷形式，可以有效降低或減輕空難事故危害[2]。襟翼保險(xiǎn)銷是襟翼與機(jī)翼連接結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，其位置和典型構(gòu)造如圖1所示。遇緊急狀況發(fā)生碰撞時(shí)，保險(xiǎn)銷剪切斷離后襟翼脫離機(jī)翼。由于保險(xiǎn)銷的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比較容易控制其破壞載荷，因此我國研制的民用客機(jī)襟翼斷離均采用了保險(xiǎn)銷斷離技術(shù)。中國運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)(CCAR-25)和美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)對(duì)保險(xiǎn)銷的設(shè)計(jì)方法和斷離強(qiáng)度都提出了要求，將保險(xiǎn)銷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)納入飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程中。

襟翼保險(xiǎn)銷剪切斷離強(qiáng)度對(duì)飛機(jī)飛行安全有著重要的意義，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)襟翼保險(xiǎn)銷剪切斷離強(qiáng)度的工程計(jì)算方法、有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證方法等進(jìn)行了大量研究工作。Ju等采用二維應(yīng)力模型和三維應(yīng)力模型，對(duì)雙剪螺栓連接強(qiáng)度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)短螺栓的應(yīng)力分析較為合理，但對(duì)于小摩擦下的長(zhǎng)螺栓的應(yīng)力分析偏保守[3]。馬永忠等采用單面剪切變形試驗(yàn)方法，驗(yàn)證了大直徑安全銷的剪切強(qiáng)度，并與有限元分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析[4]。Bertan等對(duì)5種復(fù)合材料剪切銷的雙剪強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并采用雙參數(shù)威布爾統(tǒng)計(jì)方法對(duì)5種材料的破壞載荷進(jìn)行了分析[5]。范耀宇等總結(jié)了飛機(jī)吊掛應(yīng)急斷離技術(shù)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，并對(duì)保險(xiǎn)銷結(jié)構(gòu)提出設(shè)計(jì)建議[6]。薛彩軍、李衛(wèi)平等采用有限元分析，進(jìn)行了民用飛機(jī)吊掛結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度究[7,8]。李澤江等對(duì)民用飛機(jī)應(yīng)急斷離典型結(jié)構(gòu)的適航設(shè)計(jì)方法及適航驗(yàn)證流程進(jìn)行了研究[9]。

(a)保險(xiǎn)銷位置

本文基于中國運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)(CCAR-25)[10]對(duì)襟翼保險(xiǎn)銷強(qiáng)度、斷離時(shí)間的要求，對(duì)某型民用飛機(jī)的襟翼保險(xiǎn)銷結(jié)構(gòu)斷離強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該型襟翼保險(xiǎn)銷設(shè)計(jì)方案和斷離強(qiáng)度符合適航要求，試驗(yàn)結(jié)果與理論吻合較好，該型襟翼保險(xiǎn)銷可在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)中使用。同時(shí)，該試驗(yàn)為民用飛機(jī)襟翼保險(xiǎn)銷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

2 襟翼保險(xiǎn)銷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度適航要求

襟翼保險(xiǎn)銷具有應(yīng)急斷離和襟翼載荷傳遞功能，襟翼保險(xiǎn)銷在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的條件下，應(yīng)在設(shè)計(jì)斷離載荷下準(zhǔn)確、及時(shí)斷離，切斷襟翼、機(jī)翼之間的載荷傳遞，避免撕裂機(jī)翼盒段油箱引起火災(zāi)。

襟翼保險(xiǎn)銷的應(yīng)急斷離功能必須滿足運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)(CCAR-25)25.721(b)條款的規(guī)定。該條款明確要求，客座量(不包括駕駛員座椅)等于或大于10座的飛機(jī)必須設(shè)計(jì)成，當(dāng)有任何一個(gè)或幾個(gè)起落架未放下時(shí)，飛機(jī)在受操縱情況下在有鋪面的跑道上著陸，其結(jié)構(gòu)部件的損壞不能導(dǎo)致溢出足夠量的燃油構(gòu)成起火危險(xiǎn)。

襟翼保險(xiǎn)銷為了保證載荷傳遞，維持飛機(jī)構(gòu)型的完整，其結(jié)構(gòu)必須滿足運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)(CCAR-25)25.305條款(強(qiáng)度與變形)、25.307條款(結(jié)構(gòu)符合性的證明)、25.571條款(結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評(píng)定)等的要求。保險(xiǎn)銷的靜強(qiáng)度、疲勞和裂紋擴(kuò)展分析必須有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持[12]。

為滿足上述條款的規(guī)定，襟翼保險(xiǎn)銷結(jié)構(gòu)在靜力試驗(yàn)中應(yīng)能夠承受限制載荷而無有害的永久變形，能夠承受極限載荷至少3s而不破壞。同時(shí)，襟翼保險(xiǎn)銷應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間和載荷范圍內(nèi)破壞。

3 保險(xiǎn)銷斷離失效準(zhǔn)則

采用傳統(tǒng)的雙支點(diǎn)受載梁分析襟翼保險(xiǎn)銷的受載形式，如圖2所示。襟翼保險(xiǎn)銷承受的最大剪切載荷設(shè)為P，保險(xiǎn)銷內(nèi)外徑分別設(shè)為d、D，則保險(xiǎn)銷剪切許用值[Q]必須滿足[12]：

圖2 保險(xiǎn)銷受載形式

(1)

(2)

式中，v為斷離的速率；d和D分別為應(yīng)急斷離保險(xiǎn)銷的內(nèi)外直徑。

4 試驗(yàn)件

根據(jù)襟翼保險(xiǎn)銷的受力特點(diǎn)，將襟翼保險(xiǎn)銷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成單雙耳連接結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了如圖3所示的試驗(yàn)件，試驗(yàn)件的尺寸數(shù)據(jù)見表1。試驗(yàn)件下端夾持，上端加載，采用襟翼保險(xiǎn)銷裝配形式進(jìn)行安裝。試驗(yàn)件共6件，1件用于靜力試驗(yàn)，5件用于斷離試驗(yàn)。

圖3 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式及組成

表1 試驗(yàn)件組件典型尺寸

某型民用飛機(jī)襟翼保險(xiǎn)銷設(shè)計(jì)載荷Pu=302kN，最大設(shè)計(jì)斷離系數(shù)取1.25，則最大設(shè)計(jì)斷離載荷為Pm=1.25Pu=377.5kN。設(shè)加載速度為15mm/s，保險(xiǎn)銷斷離時(shí)間t=4.8/15=0.32s。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

靜力試驗(yàn)包括67%極限載荷試驗(yàn)和100%極限載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)，通過力控方式進(jìn)行加載。試驗(yàn)時(shí)，將加載夾具和夾持夾具安裝在試驗(yàn)機(jī)加載和夾持接頭上，通過加載夾具和夾持夾具上的應(yīng)變片測(cè)量數(shù)據(jù)，確認(rèn)同軸后再進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)加載照片如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)加載照片

斷離試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)，通過力控和位控結(jié)合的方法進(jìn)行加載，試驗(yàn)安裝和夾持與靜力試驗(yàn)相同。斷離試驗(yàn)加載程序如下：采用力控方式，按67%極限載荷試驗(yàn)程序加載至67%極限載荷，保載30s，然后采用位控方式，以15mm/s的速率加載至試驗(yàn)件失去承載能力。

6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

6.1 靜力試驗(yàn)

67%極限載荷試驗(yàn)完成后，將襟翼保險(xiǎn)銷從試驗(yàn)夾具上拆除并進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)銷發(fā)生了輕微的塑性變形，圖5中的縫隙即為變形，但對(duì)拆卸和安裝沒有影響。100%極限載荷試驗(yàn)時(shí)間-載荷曲線見圖6，100%極限載荷試驗(yàn)加載過程無異響，保載過程中試驗(yàn)件無破壞。

圖5 保險(xiǎn)銷67%極限載荷試驗(yàn)時(shí)的變形

圖6 100%極限載荷試驗(yàn)時(shí)間-載荷曲線

襟翼保險(xiǎn)銷完成67%極限載荷試驗(yàn)后出現(xiàn)了不影響功能的微小塑性變形，并承受了100%極限載荷3s不破壞，滿足運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)(CCAR-25)25.305條款、25.307條款的要求。

6.2 斷離試驗(yàn)

表2為斷離時(shí)間和位移，從表中可以看出，5件襟翼保險(xiǎn)銷試驗(yàn)件從67%極限載荷到斷離的時(shí)間均在0.32s左右，斷離載荷大于302kN，小于377.5kN，斷裂前的塑性位移在4.8mm左右。

表2 斷離時(shí)間及位移

圖7為D-1～D-5試驗(yàn)件斷離時(shí)的時(shí)間-載荷曲線，可以看出，5個(gè)試驗(yàn)件的曲線近似。以D-2試驗(yàn)件曲線為例，在67%極限載荷30s保載結(jié)束后，開始位移加載，從141s(A點(diǎn))開始，載荷迅速上升，141.34s(B點(diǎn))達(dá)到最大載荷后，襟翼保險(xiǎn)銷破壞，然后載荷迅速下降，直到固定螺栓承載，載荷反彈至C點(diǎn)，固定螺栓斷裂，整個(gè)試驗(yàn)件迅速失去承載能力。

圖7 保險(xiǎn)銷斷離試驗(yàn)時(shí)間-載荷曲線

圖8為保險(xiǎn)銷斷離位移-載荷曲線，A點(diǎn)為67%極限載荷保載完成后的位控轉(zhuǎn)換點(diǎn)。從圖中可以看出，A點(diǎn)后，襟翼保險(xiǎn)銷迅速進(jìn)入塑性變形，直到剪切破壞。圖9為襟翼保險(xiǎn)銷斷離后的破壞斷面及固定螺栓破壞形式。從圖8、圖9可以看出，襟翼保險(xiǎn)銷在剪切面發(fā)生局部塑性破壞，固定螺栓在襟翼保險(xiǎn)銷斷離后也迅速切斷破壞，不影響結(jié)構(gòu)功能。

圖8 保險(xiǎn)銷斷離位移-載荷曲線

(a)保險(xiǎn)銷斷口 (b)固定螺栓破壞形式圖9 保險(xiǎn)銷破壞照片

從試驗(yàn)件斷口可以看出，襟翼保險(xiǎn)銷的斷裂模式為橫向剪切破壞，與保險(xiǎn)銷斷離失效準(zhǔn)則相吻合。因此，在后續(xù)研究和計(jì)算中，不同壁厚的保險(xiǎn)銷均可根據(jù)該失效準(zhǔn)則來確定加載速率與斷離時(shí)間之間的關(guān)系。

7 結(jié) 論

本文分析了運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)(CCAR-25)中民用飛機(jī)襟翼保險(xiǎn)銷功能的相關(guān)條款，根據(jù)民用飛機(jī)襟翼保險(xiǎn)銷的受載特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了襟翼保險(xiǎn)銷靜力及斷離試驗(yàn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了襟翼保險(xiǎn)銷斷離破壞模式、斷離強(qiáng)度和斷離時(shí)間的計(jì)算方法以及結(jié)構(gòu)的適航符合性。結(jié)果表明：

(1)本研究采用的襟翼保險(xiǎn)銷靜強(qiáng)度和斷離強(qiáng)度、斷離時(shí)間符合運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)(CCAR-25)的要求。

(2)文中失效準(zhǔn)則、破壞模式可作為襟翼保險(xiǎn)銷的失效判斷依據(jù)，斷離時(shí)間估算方法合理可行，可以應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)。