滿足剛度約束的筒形機(jī)身防火墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

艾 森，羅利龍，常 亮，聶小華

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 計(jì)算結(jié)構(gòu)技術(shù)與仿真中心，陜西 西安 710065)

1 引 言

通用飛機(jī)機(jī)身增壓艙段是飛機(jī)的關(guān)鍵部段之一，主要由前端防火墻、后端增壓框及筒形機(jī)身側(cè)壁板組成[1,2]。其中，前端防火墻的作用是將機(jī)身頭部的發(fā)動(dòng)機(jī)與駕駛艙分隔，在發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失火的情況下，阻斷火勢(shì)蔓延，保證駕駛艙內(nèi)人員安全，避免機(jī)毀人亡的事故發(fā)生[3]。因此，防火墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)歷來是工程設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)關(guān)注的問題之一[4]。

一般而言，飛機(jī)在飛行過程中，機(jī)身增壓艙主要承受內(nèi)壓載荷而向外膨脹，造成防火墻隔框向外變形。如果變形過大，將會(huì)和前端發(fā)動(dòng)機(jī)組件發(fā)生干涉，影響各部分組件的正常使用。因此，防火墻結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)決定了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間極為苛刻。本文針對(duì)某通用飛機(jī)的筒形機(jī)身增壓艙進(jìn)行分析，確定防火墻結(jié)構(gòu)的剛度/強(qiáng)度特性，并且在不滿足剛度要求的情況下，對(duì)防火墻開展了尺寸及布局設(shè)計(jì)，取得了較好的設(shè)計(jì)效果。本文提供的研究思路可供通用飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)提供參考。

2 筒形機(jī)身建模及總體分析

圖1為某型通用飛機(jī)中機(jī)身增壓艙段，從防火墻平面到后增壓框。其中，防火墻由“井”字形的橫、豎筋條及背板組成，后增壓框?yàn)榍蛎婵?。整體艙段使用航空鋁合金材料。

圖1 機(jī)身增壓艙段布置圖

為掌握筒形機(jī)身的總體強(qiáng)度/剛度特性，通過建立有限元模型對(duì)危險(xiǎn)工況下的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析研究?？傮w有限元模型依據(jù)筒形機(jī)身理論外形及框、梁、長(zhǎng)桁參考面布置節(jié)點(diǎn)，機(jī)身蒙皮、框腹板采用殼單元模擬，機(jī)身長(zhǎng)桁、框緣條及框筋條采用梁?jiǎn)卧M。圖2為筒形機(jī)身總體有限元模型，模型共包含932個(gè)節(jié)點(diǎn)，2355個(gè)單元，其中殼元953個(gè)，梁元1402個(gè)。

圖2 筒形機(jī)身總體有限元模型

沿航向X方向，防火墻框前與發(fā)動(dòng)機(jī)支架連接，必須滿足變形要求，防止與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉。防火墻后為駕駛艙，主要承擔(dān)艙內(nèi)壓力載荷。為考核防火墻的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，選取增壓工況作為分析工況。艙段內(nèi)壓通過在蒙皮單元施加面壓實(shí)現(xiàn)，并約束翼身連接點(diǎn)。

通過建立以上有限元模型，并施加內(nèi)外載荷和相應(yīng)的邊界條件，對(duì)筒形機(jī)身進(jìn)行總體分析。筒形機(jī)身在增壓工況下的位移及應(yīng)力云圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 增壓工況位移云圖

圖4 增壓工況MISES應(yīng)力云圖

(1)從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能來看，筒形機(jī)身在增壓工況下的最大MISES應(yīng)力265MPa，出現(xiàn)在增壓工況防火墻下端。防火墻采用牌號(hào)為7050的鋁合金，相對(duì)而言，分析獲得的防火墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足使用要求。

(2)從剛度性能來看，在增壓工況下，筒形機(jī)身最大位移為146mm，出現(xiàn)在防火墻中間節(jié)點(diǎn)。由前述可知，防火墻前與發(fā)動(dòng)機(jī)支架相連接，要求最大變形不超過20mm。顯然，目前分析出的剛度特性不滿足設(shè)計(jì)要求，必須重新對(duì)防火墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 防火墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

由于防火墻結(jié)構(gòu)在初始幾何參數(shù)及構(gòu)型設(shè)計(jì)下的剛度不滿足要求，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)主要分為兩步：第一步，嘗試在不改變當(dāng)前結(jié)構(gòu)布局的情況下，通過調(diào)整幾何參數(shù)來滿足剛度要求；第二步，在第一步嘗試失敗的情況下，通過進(jìn)行布局設(shè)計(jì)、改變結(jié)構(gòu)構(gòu)型的方式來滿足剛度要求。

3.1 防火墻結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)優(yōu)化

考慮對(duì)防火墻框的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化變量選取腹板厚度和加筋截面面積，初始防火墻框面板厚度為2mm，加筋截面為23×2的矩形梁，變量上限定義為2倍初值(其中，加筋只優(yōu)化筋條厚度)。在優(yōu)化過程中，施加框腹板中點(diǎn)航向位移小于20mm的位移約束，以滿足剛度要求。

以防火墻重量最小為優(yōu)化目標(biāo)，采用數(shù)學(xué)規(guī)劃法進(jìn)行幾何尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過4步優(yōu)化過程的迭代后收斂，所有變量均達(dá)到上限值，優(yōu)化后增壓工況下防火墻框的位移如圖5所示。

(a)優(yōu)化前位移 (b)優(yōu)化后位移圖5 防火墻結(jié)構(gòu)幾何尺寸優(yōu)化前后位移

由優(yōu)化結(jié)果可見，優(yōu)化前重量為8.63kg，優(yōu)化后重量為15.89kg，重量幾乎增加一倍，但防火墻框中心點(diǎn)位移只從143mm，降到57.4mm，遠(yuǎn)不能滿足要求。因此，在可接受的增重范圍內(nèi)對(duì)防火墻框只調(diào)整幾何尺寸已經(jīng)不能滿足剛度約束的要求，必須考慮通過調(diào)整結(jié)構(gòu)布局來滿足剛度要求。

3.2 防火墻結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

根據(jù)防火墻框承載形式，重點(diǎn)討論3種結(jié)構(gòu)布局形式，以實(shí)現(xiàn)使其在可接受的重量范圍內(nèi)滿足剛度要求。

3.2.1 “米”字形加筋形式

相比初始的“井”字形加筋形式，“米”字形能夠?yàn)槊姘逄峁└鼜?qiáng)的面外剛度。如圖6所示，設(shè)計(jì)為“米”字形加筋以后，防火墻框的重量為10.02kg，而最大位移變?yōu)?4.2mm。

(a)“米”字形加筋布置 (b)位移云圖圖6 防火墻“米”字形結(jié)構(gòu)

在該結(jié)構(gòu)形式下，結(jié)構(gòu)增重有限，位移仍然沒有得到控制，而且筋條布置已經(jīng)非常稠密，如果再通過增加高度或厚度來提升剛度，一方面會(huì)使結(jié)構(gòu)重量快速增加，另一方面對(duì)壁板整體機(jī)加成型造成了困難。

3.2.2 球面框形式

球面框在承受內(nèi)壓載荷時(shí)相比平面壁板優(yōu)勢(shì)明顯，故考慮在設(shè)計(jì)空間允許的情況下，嘗試將防火墻框設(shè)計(jì)為球面框。由于發(fā)動(dòng)機(jī)支架連接的部位必須保持平面，在內(nèi)壓作用下防火墻結(jié)構(gòu)變形后航向位移不能超過20mm，且不能與前面結(jié)構(gòu)干涉，故只能在防火墻中心取一部分框結(jié)構(gòu)進(jìn)行球面化設(shè)計(jì)，防火墻框球面化設(shè)計(jì)空間及有限元模型如圖7所示。球面最高點(diǎn)距離原來框平面46mm，球面距離發(fā)動(dòng)機(jī)支架連接耳片的最近距離為4mm，框主要加筋與機(jī)身長(zhǎng)桁對(duì)接。

(a)防火墻框球面化設(shè)計(jì) (b)球面化有限元模型圖7 防火墻框球面化設(shè)計(jì)及有限元模型

圖8為防火墻框球面化后的位移云圖?？梢钥吹剑臑榍蛎婵蚝?，結(jié)構(gòu)位移得到了明顯改善，此時(shí)結(jié)構(gòu)重量為12.04kg，相比初始設(shè)計(jì)，增重3.41kg。但是在查看與發(fā)動(dòng)機(jī)連接耳片最近的節(jié)點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，其航向位移為9.2mm，超過初始間距4mm，變形后結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉，且最大變形出現(xiàn)在平面框與球面框連接處，平面框?qū)φw變形影響較大。要滿足防火墻框剛度要求，平面框部分的剛度需要繼續(xù)增加，重量也會(huì)隨之增加。為有效控制結(jié)構(gòu)重量，需開展其它方案研究。

圖8 防火墻框球面化后的位移云圖

3.2.3 輻射狀筋條形式

筒形機(jī)身后端增壓框一般做成球面，且筋條輻射狀布置，均是為了更好地利用筋條的軸向拉伸剛度。受此啟發(fā)，嘗試將防火墻框的筋條按機(jī)身長(zhǎng)桁布置改為輻射狀，并以加筋截面的長(zhǎng)、寬以及面板厚度為設(shè)計(jì)變量，開展尺寸優(yōu)化，最終得到框面板厚度由2mm改為3mm，加筋由原來的23×2改為30×4，如圖9所示。

(a)防火墻框輻射加筋布置 (b)位移云圖圖9 防火墻框輻射加筋形式

此時(shí)結(jié)構(gòu)最大位移為18.7mm，出現(xiàn)在框平面最中間節(jié)點(diǎn)，滿足剛度要求，結(jié)構(gòu)重量為13.25kg，相比初始設(shè)計(jì)增重4.62kg。在該方案下，結(jié)構(gòu)以有限的重量代價(jià)實(shí)現(xiàn)剛度補(bǔ)償，很好地滿足了設(shè)計(jì)要求，而且對(duì)于防火墻框整體機(jī)加的工藝性也沒有限制。綜上所述，該方案為防火墻框的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)某通用飛機(jī)筒形機(jī)身的防火墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，首先對(duì)筒形機(jī)身的總體剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了初始評(píng)估，分析結(jié)果表明，防火墻結(jié)構(gòu)在增壓工況下變形較大，可能與發(fā)動(dòng)機(jī)支架發(fā)生干涉。為保證防火墻結(jié)構(gòu)的正常使用，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法對(duì)防火墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了尺寸和布局設(shè)計(jì)。結(jié)果顯示：

(1)在初始構(gòu)型的基礎(chǔ)上，只對(duì)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，難以滿足剛度約束的要求，且重量增加明顯。

(2)對(duì)比了“米”字形加筋、球面框、輻射狀筋條等3種布局形式，分析表明，輻射狀筋條布局形式在犧牲有限重量的代價(jià)下，可很好地滿足結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)要求。此方案可作為該型飛機(jī)防火墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)選構(gòu)型。