龐錦平

（中航飛機研發(fā)中心環(huán)控救生所，陜西 西安710089）

民用飛機機組存儲柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核

龐錦平

（中航飛機研發(fā)中心環(huán)控救生所，陜西 西安710089）

結(jié)合民用飛機存儲柜的改造需求，提出一種先結(jié)構(gòu)設(shè)計后強度校核的設(shè)計流程。結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，在分析艙內(nèi)布局和可行空間的基礎(chǔ)上確定存儲柜的造型和尺寸；強度校核方面，提出一種利用有限元的分析結(jié)果作為最大應(yīng)力輸入的剩余強度校核方法，并以某型號民用飛機的存儲柜為例進行校核，驗證了存儲柜的設(shè)計強度滿足要求。

民機；存儲柜；結(jié)構(gòu)設(shè)計；強度校核

機內(nèi)存儲設(shè)施是民用飛機艙內(nèi)生活設(shè)備的組成部分，用于存儲機組人員飛行和生活用品、旅客攜帶的行李物品以及艙內(nèi)配置的應(yīng)急救生設(shè)備等［1］。在存儲設(shè)施設(shè)計過程中，必須考慮兩個方面：一是結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括存儲設(shè)施的材料、結(jié)構(gòu)型式、安裝方式等的設(shè)計；二是可靠性設(shè)計，使其滿足適航條款中規(guī)定的艙內(nèi)設(shè)備在應(yīng)急著陸情況下的強度安全要求［2］。

本文針對某型號民用飛機改裝過程中需要增裝機組存儲柜的問題，設(shè)計儲存柜的結(jié)構(gòu)尺寸并在極限條件下進行強度校核，確保其滿足使用性和可靠性的要求。

1　存儲柜設(shè)計要求

根據(jù)某航空用戶要求，需在某型號飛機客艙內(nèi)增裝存儲柜。結(jié)合適航條款CCAR-25 R4［2］中相關(guān)規(guī)定，設(shè)計要求如下：

（1）容積負載要求：柜體通過隔板分為上下兩個獨立空間，其中上部小空間限重10 kg，下部大空間至少容納三個18寸飛行箱，限重70 kg.

（2）外形尺寸要求：柜體不得超過預(yù)留空間；確保存儲柜裝配體可通過登機門洞和分艙板門洞；滿足旅客過道寬度的相關(guān)適航要求。

（3）強度安全要求：在臨界負載下，滿足適航條款中對應(yīng)急著陸情況的強度安全要求。

（4）制造材料要求：必須滿足適航條款中對阻燃特性、熱輻射特性和發(fā)煙特性的要求。

2　存儲柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1結(jié)構(gòu)形式及材料選擇

綜合考慮成本和工藝等因素，存儲柜采用分體式結(jié)構(gòu)形式，柜體壁板材料采用酚醛樹脂基玻璃預(yù)浸布包覆的NOMX蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)，酚醛樹脂基玻璃預(yù)浸布是一種可靠的航空復(fù)合材料，具有強度高、抗疲勞性能好和耐高溫性好等優(yōu)勢［3-5］，符合CCAR 25.853中對艙內(nèi)材料的要求。

2.2尺寸設(shè)計

根據(jù)CCAR-25.815的規(guī)定，客座量大于20座的飛機，座椅之間的旅客過道最小寬度要求，參看圖1中的Lmin1和Lmin2.結(jié)合客艙內(nèi)預(yù)留空間，得到存儲柜的可用空間區(qū)域見圖1中的陰影所示。根據(jù)存儲柜容納三個標(biāo)準18寸飛行箱的容積要求以及登機門洞（750 mm×1 405 mm）和分艙板門洞（556 mm×1 799 mm）對通過性的限制，最終得到存儲柜的外形及有效尺寸。存儲柜由頂板、前壁板、后壁板、底板、側(cè)隔板、側(cè)壁板、門板（兩個）及分隔板構(gòu)成，分隔板將存儲柜分為上下兩層，見圖2（a）所示。后壁板通過螺栓固定在分艙板上，前壁板用L型連接型材通過螺栓與地板下的結(jié)構(gòu)型材連接，分別見圖2（b）和（c）.

圖1　存儲柜可用空間區(qū)域示意圖

圖2　存儲柜CAD造型及螺栓分布位置

3　基于有限元仿真的強度校核

3.1強度校核基本原理

強度校核是存儲柜設(shè)計中的最后步驟，用以校驗設(shè)計結(jié)果是否符合工況需求。本文需校核項目為連接型材強度、連接部位螺栓強度以及存儲柜強度，采用的校核標(biāo)準是剩余強度，基本思路是利用有限元的分析結(jié)果作為實際最大應(yīng)力輸入，進而計算剩余強度。

（1）對于型材強度，可以采用

式中，σb為強度極限；σ為最大應(yīng)力絕對值；當(dāng)時η＞1，則滿足要求。

（2）在計算螺栓拉剪復(fù)合的剩余強度時，則需要先計算以下參數(shù)

式中，

σb為螺栓的強度極限；σ綜合為螺栓拉剪復(fù)合時的綜合計算應(yīng)力；τ為螺栓受剪時的計算應(yīng)力；σP為螺栓受拉時的計算應(yīng)力；Q為螺栓剪力；P為螺栓拉力；A為螺栓光桿處的面積；d為螺栓直徑。

（3）對于存儲柜的強度校核，參考文獻［3］中對復(fù)合材料鋪層的失效校驗方法，選用蔡-胡失效準則進行強度校核，強度比方程為

式中，

式中：Xt為縱向拉伸強度，Xc為縱向壓縮強度；Yt為橫向拉伸強度，Yc為橫向壓縮強度；S為縱橫剪切強度；為參數(shù)相關(guān)項，通常-1＜＜1.

3.2有限元仿真

存儲柜的設(shè)計強度必須滿足CCAR-25.561，即存儲柜在受到應(yīng)急著陸情況下的極限慣性載荷時仍滿足強度安全要求。柜體最大負載為80 kg，極限工況及對應(yīng)的載荷系數(shù)分別為：向上，3.0；向前，9.0；側(cè)向，3.0；向下，6.0；向后，1.5.

有限元分析方法在飛機的設(shè)計和分析中應(yīng)用廣泛［6］。本文建立存儲柜和結(jié)構(gòu)框兩個有限元模型用于仿真計算強度校核過程中所需的實際最大應(yīng)力，如圖3所示。然后，采用MSC Nastran軟件的靜力模塊進行應(yīng)力分析和求解。

圖3　有限元應(yīng)力云圖

3.3強度校核結(jié)果

（1）連接型材的強度校核

型材材料為LY12-CZ，強度極限為σb=390 MPa.仿真計算得出工況2下出現(xiàn)最大應(yīng)力σv=35.7 MPa.計算剩余強度得η=10.9＞1，因此，地板上型材符合強度安全要求。

（2）連接部位螺栓的強度校核

螺栓材料為30CrMnSiA，強度極限為σb=1 080MPa.螺栓直徑b=5 mm.參考《飛機設(shè)計手冊》［3］可得螺栓剪切強度極限τb=0.63σb.根據(jù)仿真結(jié)果計算得出螺栓的最小剩余強度η=11.4＞1，故所有螺栓滿足強度要求。

（3）存儲柜的強度校核

酚醛樹脂基玻璃預(yù)浸布鋪層的基本強度參數(shù)為：Xt=403 MPa，Xc=383 MPa，Yt=416 MPa，Yc=452 MPa，S=85 MPa，F(xiàn)*12=-0.5.通過仿真和計算可知，在最嚴重的工況2條件下，各鋪層最小剩余強度ηmin=30.1＞1，故存儲柜滿足強度要求。

4　結(jié)束語

本文結(jié)合民用飛機存儲柜的改造需求，提出一種先結(jié)構(gòu)設(shè)計后強度校核的設(shè)計流程。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，結(jié)合適航條款中對民機過道寬度的要求，分析艙內(nèi)布局和可行空間，在此基礎(chǔ)上確定存儲柜的造型和尺寸。在強度校核方面，提出了一種基于有限元分析的剩余強度校核方法。該方法利用有限元的分析結(jié)果作為實際最大應(yīng)力輸入，進而計算剩余強度。根據(jù)適航條款中對應(yīng)急著陸情況下的極限慣性載荷規(guī)定，以某型號民用飛機的存儲柜為例進行校核，驗證了存儲柜的設(shè)計強度滿足要求。

［1］馬旭章.飛機設(shè)計手冊第11分冊民用飛機內(nèi)部設(shè)施［M］.北京：航空工業(yè)出版社.1998.

［2］CCAR-25-R4.中國民用航空規(guī)章第25部——運輸類飛機適航標(biāo)準［S］.

［3］潘先進.民用飛機內(nèi)飾材料研究［J］.裝備制造技術(shù)，2014，（8）:237-238.

［4］Williams J C，Starke E A.Progress in structural materials for aerospace systems［J］.Acta Materialia，2003，51（19）:5775-5799.

［5］馬立敏，張嘉振，岳廣全，等.復(fù)合材料在新一代大型民用飛機中的應(yīng)用［J］.復(fù)合材料學(xué)報，2015，32（2）:317-322.

［6］馮宇晨，郭建忠.飛機全機結(jié)構(gòu)有限元建模關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.裝備制造技術(shù)，2013，（4）:1-4.

Structural Design and Strength Checking of Civil Aircraft Storage Cabinet

PANG Jin-ping
（China Aviation Aircraft R&D Center，Xi’an Shaanxi 710089，China）

This paper presents a procedure containing structural design and strength checking on the demand of transformation for civil aircraft storage cabinets.In the aspect of structural design，the dimensional parameters of the storage cabinet are determined on the basis of the analysis of the cabin layout and the feasible space.In the aspect of strength checking，a residual strength checking method based on FEA（Finite Element Analysis）is proposed.Using the FEA results as the actual maximum stress input，the residual strength can be calculated. According to the regulations of the limit inertial load on the emergency landing case in the airworthiness clause，a civil aircraft storage cabinet is taken as an example which verifies the design strength of the storage tank to meet the requirements.

civil aircraft；storage cabinet；structural design；strength checking

V223

A

1672-545X（2016）07-0054-02

2016-04-28

龐錦平（1988-），女，陜西西安人，碩士，助理工程師，研究方向：飛機內(nèi)飾系統(tǒng)研究。