姚建成，閆亞斌，于 靜，陳棟梁

(中航西飛民用飛機有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089)

1 引 言

結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗驗證技術(shù)是飛機研制的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是飛機研制過程中的必選題。對于民用飛機研制，衡量其經(jīng)濟性的一個重要指標(biāo)就是飛機的結(jié)構(gòu)重量。因此，設(shè)計出效率高且重量輕的零部件結(jié)構(gòu)是每個飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計人員不懈追求的目標(biāo)。

貨運飛機在設(shè)計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。貨運飛機的攔阻結(jié)構(gòu)通常采用的結(jié)構(gòu)形式有軟式攔阻網(wǎng)設(shè)計和硬式攔阻墻設(shè)計兩種[2]，這兩種攔阻結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點，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。機身機構(gòu)承受面內(nèi)載荷的能力相對較弱，因此，機身內(nèi)的攔阻系統(tǒng)以軟式攔阻網(wǎng)設(shè)計為優(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。機身機構(gòu)承受面內(nèi)載荷的能力相對較弱，因此，選用攔阻墻結(jié)構(gòu)對安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有更高的要求，局部細節(jié)設(shè)計難度較大。

攔阻系統(tǒng)設(shè)計要以飛機的實際情況來確定。本文以某型飛機前貨艙攔阻系統(tǒng)設(shè)計為例，介紹了攔阻系統(tǒng)設(shè)計的概況。

2 背景介紹

MA600飛機前貨艙位置如圖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)計要求，但是由于局部結(jié)構(gòu)的過度加強會導(dǎo)致飛機局部結(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算并通過試驗驗證[4]，成本較高。

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

3 “軟式”攔阻墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

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，在不增加變形空間和面內(nèi)載荷的前提下，新設(shè)計攔阻墻的連接結(jié)構(gòu)，將原攔阻墻與機身的固定連接結(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 強度計算

按照細節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計情況，建立“軟式”攔阻墻的細節(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)計的“軟式”攔阻墻變形和應(yīng)力計算結(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?，按照CCAR25部相關(guān)條款要求施加相應(yīng)的貨運飛機應(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 試驗驗證

針對所設(shè)計的“軟式”攔阻墻生產(chǎn)了真實的結(jié)構(gòu)件，將其作為試驗件進行靜強度試驗驗證。試驗件安裝及加載見圖6。在100%極限載荷情況下，由試驗測量得到的“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阻墻最大變形點隨著載荷量級增加的變形曲線如圖7所示。

圖6 試驗件安裝及加載

圖7 變形曲線

6 結(jié)果分析

由強度計算結(jié)果和試驗驗證結(jié)果可知：MA600飛機前貨艙改進攔阻墻設(shè)計，結(jié)構(gòu)整體承載能力較高，應(yīng)力水平較低；試驗實測結(jié)果與理論計算結(jié)果基本吻合，應(yīng)力分布規(guī)律合理，與理論分析計算結(jié)果一致，試驗實測結(jié)果整體略??；MA600飛機前貨艙改進攔阻墻設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠滿足靜強度設(shè)計要求，靜力試驗結(jié)果驗證了這一結(jié)論。

7 結(jié) 論

本文結(jié)合軟式攔阻網(wǎng)設(shè)計和硬式攔阻墻設(shè)計的優(yōu)缺點，創(chuàng)新性地提出了“軟式”攔阻墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，設(shè)計生產(chǎn)了真實的結(jié)構(gòu)件并進行了靜力試驗驗證。試驗結(jié)果表明，本文提出的“軟式”攔阻墻設(shè)計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。