“軟式”攔阻墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

姚建成，閆亞斌，于 靜，陳棟梁

(中航西飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089)

1 引 言

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)是飛機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是飛機(jī)研制過程中的必選題。對(duì)于民用飛機(jī)研制，衡量其經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo)就是飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量。因此，設(shè)計(jì)出效率高且重量輕的零部件結(jié)構(gòu)是每個(gè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員不懈追求的目標(biāo)。

貨運(yùn)飛機(jī)在設(shè)計(jì)中需要解決的首要難題是貨物的攔阻問題。按照中國民用航空規(guī)章CCAR25部[1]的要求，在貨物前方有乘員的情況下，設(shè)計(jì)的貨物攔阻結(jié)構(gòu)必須能夠承受貨物總重量向前的9倍過載；在應(yīng)急著陸情況下，攔阻結(jié)構(gòu)不發(fā)生脫離以確保前部乘員的安全。貨運(yùn)飛機(jī)的攔阻結(jié)構(gòu)通常采用的結(jié)構(gòu)形式有軟式攔阻網(wǎng)設(shè)計(jì)和硬式攔阻墻設(shè)計(jì)兩種[2]，這兩種攔阻結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，其主要區(qū)別在于：

(1)攔阻網(wǎng)屬于軟式結(jié)構(gòu)，需要在安裝部位的前端預(yù)留出足夠大的空間，以滿足受載狀態(tài)時(shí)攔阻網(wǎng)的變形要求[3]。攔阻網(wǎng)在受載狀態(tài)下將貨物傳遞的航向載荷一部分轉(zhuǎn)化為安裝平面內(nèi)的面內(nèi)載荷，攔阻網(wǎng)變形越大，面內(nèi)載荷就越小。機(jī)身機(jī)構(gòu)承受面內(nèi)載荷的能力相對(duì)較弱，因此，機(jī)身內(nèi)的攔阻系統(tǒng)以軟式攔阻網(wǎng)設(shè)計(jì)為優(yōu)選方案。

(2)攔阻墻結(jié)構(gòu)屬于硬式結(jié)構(gòu)，在受載狀態(tài)下可將貨物傳遞的航向載荷全部轉(zhuǎn)化為安裝平面內(nèi)的面內(nèi)載荷。機(jī)身機(jī)構(gòu)承受面內(nèi)載荷的能力相對(duì)較弱，因此，選用攔阻墻結(jié)構(gòu)對(duì)安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有更高的要求，局部細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)難度較大。

攔阻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要以飛機(jī)的實(shí)際情況來確定。本文以某型飛機(jī)前貨艙攔阻系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，介紹了攔阻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概況。

2 背景介紹

MA600飛機(jī)前貨艙位置如圖1所示。為了滿足中國民用航空規(guī)章CCAR25部的要求，由于貨艙前部是駕駛艙，要保證乘員的安全，必須在貨艙前部設(shè)置貨物攔阻系統(tǒng)，以承受全部貨物的應(yīng)急著陸載荷。

圖1 MA600飛機(jī)前貨艙位置示意圖

受貨艙裝載空間和裝載量的限制，軟式攔阻網(wǎng)結(jié)構(gòu)不能滿足設(shè)計(jì)要求。硬式攔阻墻結(jié)構(gòu)在裝載空間和裝載量方面雖然能滿足設(shè)計(jì)要求，但是由于局部結(jié)構(gòu)的過度加強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)局部結(jié)構(gòu)的傳力/受力方式發(fā)生改變，原結(jié)構(gòu)的壽命問題需要重新計(jì)算并通過試驗(yàn)驗(yàn)證[4]，成本較高。

基于此現(xiàn)狀，結(jié)合兩種攔阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，本文創(chuàng)新性地提出了“軟式”攔阻墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

3 “軟式”攔阻墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過受力分析，結(jié)合軟式攔阻網(wǎng)結(jié)構(gòu)和硬式攔阻墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在不增加變形空間和面內(nèi)載荷的前提下，新設(shè)計(jì)攔阻墻的連接結(jié)構(gòu)，將原攔阻墻與機(jī)身的固定連接結(jié)構(gòu)更改為只傳遞航向載荷的插銷式結(jié)構(gòu)，攔阻墻兩端頭的典型連接結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 典型連接示意圖

4 強(qiáng)度計(jì)算

按照細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，建立“軟式”攔阻墻的細(xì)節(jié)有限元分析模型(如圖3所示)，將攔阻墻立柱兩端頭的連接引入接觸定義，按照裝載貨物的實(shí)際狀態(tài)施加應(yīng)急著陸情況載荷。通過Nastran軟件的非線性分析，得到新設(shè)計(jì)的“軟式”攔阻墻變形和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果?！败浭健睌r阻墻的變形云圖和應(yīng)力分布云圖見圖4、圖5?？梢缘弥凑誄CAR25部相關(guān)條款要求施加相應(yīng)的貨運(yùn)飛機(jī)應(yīng)急著陸情況載荷后，“軟式”攔阻墻最大變形為42.6mm，最大應(yīng)力為392.3MPa。

圖3 有限元模型

圖4 變形云圖

圖5 應(yīng)力云圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)所設(shè)計(jì)的“軟式”攔阻墻生產(chǎn)了真實(shí)的結(jié)構(gòu)件，將其作為試驗(yàn)件進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)件安裝及加載見圖6。在100%極限載荷情況下，由試驗(yàn)測(cè)量得到的“軟式”攔阻墻的最大變形為31mm，最大應(yīng)力為252.5MPa?！败浭健睌r阻墻最大變形點(diǎn)隨著載荷量級(jí)增加的變形曲線如圖7所示。

圖6 試驗(yàn)件安裝及加載

圖7 變形曲線

6 結(jié)果分析

由強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知：MA600飛機(jī)前貨艙改進(jìn)攔阻墻設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)整體承載能力較高，應(yīng)力水平較低；試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，應(yīng)力分布規(guī)律合理，與理論分析計(jì)算結(jié)果一致，試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果整體略??；MA600飛機(jī)前貨艙改進(jìn)攔阻墻設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，靜力試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這一結(jié)論。

7 結(jié) 論

本文結(jié)合軟式攔阻網(wǎng)設(shè)計(jì)和硬式攔阻墻設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，創(chuàng)新性地提出了“軟式”攔阻墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)生產(chǎn)了真實(shí)的結(jié)構(gòu)件并進(jìn)行了靜力試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的“軟式”攔阻墻設(shè)計(jì)方案能夠滿足中國民用航空規(guī)章CCAR25部規(guī)定的應(yīng)急著陸工況下的承載要求。