客機(jī)復(fù)合材料APU艙門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

趙小龍，王 巖

(中航工業(yè)沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 工程研發(fā)中心，沈陽(yáng) 110179)

客機(jī)復(fù)合材料APU艙門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

趙小龍，王 巖

(中航工業(yè)沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 工程研發(fā)中心，沈陽(yáng) 110179)

按照結(jié)構(gòu)布局、適航要求及APU門載荷水平，對(duì)復(fù)合材料APU艙門結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。為滿足防火要求和閃電防護(hù)要求，選擇先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料和泡沫芯材，設(shè)計(jì)了一種復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。利用有限元模型對(duì)夾層結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)載荷和風(fēng)載作用下進(jìn)行應(yīng)力和位移分析，得到應(yīng)變?cè)茍D和變形云圖，分析說明該夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)B737飛機(jī)APU艙門結(jié)構(gòu)研究和重量提取，進(jìn)行重量等效對(duì)比分析，結(jié)果表明該復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)比金屬結(jié)構(gòu)重量輕25.8%，減重效果明顯。

APU艙門；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；復(fù)合材料；強(qiáng)度分析；夾層結(jié)構(gòu)

在大、中型飛機(jī)上，為了減少對(duì)地面(機(jī)場(chǎng))供電設(shè)備的依賴，都裝有獨(dú)立的小型動(dòng)力裝置，稱為輔助動(dòng)力裝置或APU(Auxiliary Power Unit)[1]?？蜋C(jī)的APU通常裝在機(jī)身尾部的非增壓艙內(nèi)，位于方向舵后下方[2]，機(jī)身下部有大型開口供APU裝卸和檢修，這種大型檢修口蓋就是APU艙門。CCAR 25.865要求位于指定火區(qū)或可能受到火區(qū)著火影響的鄰近區(qū)域內(nèi)必不可少的飛行操縱系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)架和其它飛行結(jié)構(gòu)，必須用防火材料制造或加以屏蔽，使之能經(jīng)受住著火影響[3]。在APU工作狀態(tài)下APU艙內(nèi)溫度較高，有著火危險(xiǎn)，對(duì)周圍的機(jī)身和艙門結(jié)構(gòu)有防火和耐火要求[4]，防火設(shè)計(jì)是APU艙門設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一?？湛凸続320系列客機(jī)APU艙門結(jié)構(gòu)采用金屬結(jié)構(gòu)，主承力部件選用鋁合金材料，鋁合金結(jié)構(gòu)不滿足CCAR 25防火要求，為滿足防火要求，在鋁合金結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)一層不銹鋼內(nèi)蒙皮，火焰被不銹鋼隔離，燒不到鋁合金主結(jié)構(gòu)。

復(fù)合材料是20世紀(jì)60年代中期崛起的一種新型材料，有比強(qiáng)度、比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐腐蝕等許多優(yōu)異性能。在有人駕駛飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用始于20 世紀(jì)70 年代，其間經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展過程，從最初的次承力結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展到現(xiàn)在的主受力結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[5]?，F(xiàn)已廣泛用于航空領(lǐng)域，對(duì)促進(jìn)結(jié)構(gòu)的輕量化、整體化和高性能化起到了很大的作用。大型客機(jī)A380飛機(jī)僅碳纖維復(fù)合材料的用量已達(dá)32 t左右,占結(jié)構(gòu)總重的15%,再加上其他種類的復(fù)合材料,估計(jì)復(fù)合材料總用量可達(dá)結(jié)構(gòu)總重的25%左右[6]，包括APU艙門結(jié)構(gòu)。A380飛機(jī)APU艙門結(jié)構(gòu)選用了漢高和日本東邦公司共同研究開發(fā)的碳纖維-新型苯并惡嗪樹脂預(yù)浸漬件，因?yàn)榄h(huán)氧樹脂在溫度和阻燃性能方面不具有優(yōu)勢(shì)，這些部件原來的設(shè)計(jì)是使用雙馬來酰亞胺樹脂材料。但是雙馬來酰亞胺樹脂的成本昂貴，固化時(shí)間長(zhǎng)，而且對(duì)于細(xì)小裂紋很敏感。而漢高新型苯并惡嗪樹脂能提供較好的平衡性能，相對(duì)于雙馬來酰亞胺樹脂，能承受更低的溫度，固化時(shí)間更短，同時(shí)還能滿足耐高溫的要求。

可見復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)是APU艙門結(jié)構(gòu)發(fā)展的主流方向之一，文本通過適航要求、材料選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析等對(duì)復(fù)合材料APU艙門結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 APU艙門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

某客機(jī)APU艙內(nèi)設(shè)計(jì)工作溫度在-53 ℃至+134 ℃范圍內(nèi)，著火后火焰溫度約1 093 ℃，APU艙段也是雷擊掃略區(qū)，由于特殊的工作環(huán)境，APU艙門結(jié)構(gòu)除滿足自身強(qiáng)度外，必須滿足防火要求和閃電防護(hù)要求[7-8]，見表1，表中：LC1為飛行載荷工況，6 g垂直向下過載及氣動(dòng)載荷，單側(cè)門的氣動(dòng)載荷在總體坐標(biāo)系下:Fy=3 673.38 N，F(xiàn)z=-1 377.28 N；LC2為在地面載荷工況下APU艙門完全打開狀態(tài)下承受33.44 m/s的風(fēng)載及自身重量；u為許用變形位移。

表1 設(shè)計(jì)要求

1.2 材料選擇

APU艙門選用泡沫夾層結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是重量輕、抗彎剛度高。利用其較高的抗彎剛度來提高板的穩(wěn)定性，可以很好地協(xié)調(diào)其臨界失穩(wěn)應(yīng)力水平和靜強(qiáng)度許用應(yīng)力水平[9]。

通過對(duì)動(dòng)力裝置防火適航要求的分析[10]，APU艙段使用的材料必須能夠承受高溫環(huán)境、阻燃、低煙和低毒以避免燃燒時(shí)產(chǎn)生煙霧或有毒氣體進(jìn)入客艙區(qū)域。為了滿足適航防火和耐高溫要求，因此APU艙門壁板鋪層選擇了應(yīng)用于A380飛機(jī)APU艙結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，厚度為0.3 mm的185 ℃固化的碳纖維苯并惡嗪樹脂織物預(yù)浸料(Epsilon97702.1/HTA 5HS-285)，優(yōu)點(diǎn)是固化時(shí)間更短，具有良好的力學(xué)性能、耐溫性能及防火性能[11]。力學(xué)性能見表2，表中：E11和E22分別為單層板1方向和2方向上的彈性模量；μ12為單層板單獨(dú)在1方向受力時(shí)的波松比；G12為單層板在1-2平面內(nèi)的剪切彈性模量；εtu為極限許用拉應(yīng)變；εcu極限許用壓應(yīng)變；εsu極限許用剪應(yīng)變。

表2 Epsilon97702.1/HTA 5HS-285預(yù)浸料力學(xué)性能

芯材通常使用蜂窩或泡沫。蜂窩具有壓縮模量高和重量輕的優(yōu)點(diǎn)，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)廣泛使用的夾心材料。但在某些情況下，如面板出現(xiàn)裂紋時(shí)，液態(tài)水和水蒸氣很容易進(jìn)入蜂窩，冰凍后膨脹，將破壞鄰近蜂窩孔格的粘結(jié)，降低了夾層結(jié)構(gòu)的性能而必須進(jìn)行修理，費(fèi)用十分昂貴[12]。APU艙內(nèi)會(huì)有大量冷凝水流經(jīng)艙門結(jié)構(gòu)并積聚在最低端的排液口，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件的維護(hù)費(fèi)用使得原本質(zhì)輕的優(yōu)點(diǎn)和泡沫夾層結(jié)構(gòu)相比不再存在，剛性泡沫是閉孔的，水和水汽不能進(jìn)入夾心內(nèi)部，減少了維護(hù)檢查的成本，全壽命成本更加經(jīng)濟(jì)。ROHACELL WF泡沫是聚甲基丙烯酰亞胺閉孔剛性泡沫，共固化工藝溫度可達(dá)180 ℃，還易于機(jī)械加工和具有良好的防火性能(低煙霧濃度，不釋放有害物質(zhì))[13]，已經(jīng)在各種飛機(jī)結(jié)構(gòu)中成功地應(yīng)用[14]，夾芯材料選用了ROHACELL 71 WF-HT型泡沫，力學(xué)性能見表3。

表3 ROHACELL 71 WF-HT型泡沫性能

復(fù)合材料在沒有雷擊防護(hù)層的情況下，在經(jīng)受60～100 kA峰值電流和1.9 C電荷量放電后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷，必須進(jìn)行防雷擊處理。此APU艙門在氣動(dòng)表面上鋪金屬絲網(wǎng)與碳纖維材料共固化，再用電搭鐵線把金屬網(wǎng)和機(jī)身連接形成導(dǎo)電通路，將雷電傳導(dǎo)到機(jī)身。與火焰噴涂鋁或鋁箔措施相比，金屬絲網(wǎng)鋪層措施優(yōu)點(diǎn)是重量最輕，維修費(fèi)用低和成本最低[15]，選用的金屬網(wǎng)是一種帶有膠膜的銅網(wǎng)。結(jié)構(gòu)材料見表4。

表4 主要結(jié)構(gòu)材料

1.3 鋪層設(shè)計(jì)

APU艙門結(jié)構(gòu)是夾層壁板結(jié)構(gòu)，起維持氣動(dòng)外形和連接其它組件的作用。為保證各方向都具有好的承載能力，各方向性能一致，上下面板采用準(zhǔn)各向同性鋪層方式。0°、±45°和90°鋪層比例分別為25%、50%和25%。

結(jié)構(gòu)主要受彎曲載荷，為滿足輕質(zhì)化要求，在滿足夾層結(jié)構(gòu)上下面板強(qiáng)度要求的前提下，盡可能地減少面板鋪層，通過調(diào)整泡沫厚度來控制艙門抗彎剛度。經(jīng)過改變鋪層層數(shù)，計(jì)算面板單層中X/Y向的最大平面應(yīng)力，選擇0/90和+/-45鋪層比例各占50%，鋪層數(shù)量為[05/±455/905]，泡沫夾層處厚度為22.35 mm，鋪層順序見表5，無泡沫夾芯處厚度為3.5 mm。APU艙門結(jié)構(gòu)三維模型見圖1，稱重得總重量為13.325 kg。

圖1 某型飛機(jī)APU艙門結(jié)構(gòu)

表5 夾層結(jié)構(gòu)鋪層順序

2 夾層結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 有限元模型

APU艙門結(jié)構(gòu)由2塊對(duì)開形式的復(fù)合材料壁板組成，每塊壁板展開呈梯形，最長(zhǎng)邊長(zhǎng)1 686 mm，最寬邊長(zhǎng)749 mm。每塊壁板通過4個(gè)鉸鏈與機(jī)身鉸接，艙門對(duì)合處通過3副鉤鎖鉸接，前后兩端分別通過1個(gè)插銷鎖鉸接。使用CATIA建立的三維模型見圖2。

圖2 APU艙門裝配構(gòu)型

圖3所示為構(gòu)成層合板的織物性能示意圖，11方向?yàn)榭椢锏妮S向方向，22方向?yàn)榇怪庇诳椢镙S向的方向(橫向)，可以看出織物為正交各向異性材料，在MSC.Patran中定義織物為2D Orthotropic材料，取失效準(zhǔn)則為蔡-吳準(zhǔn)則(Tsai-Wu)，該失效模式中包含了織物1方向和2方向拉伸、壓縮強(qiáng)度，12方向的剪切強(qiáng)度，1方向和2方向的相互影響因子，層間剪切強(qiáng)度極限。

圖3 織物性能特點(diǎn)示意圖

使用MSC.Patran選取CATIA數(shù)模理論外形為基準(zhǔn)面，并根據(jù)不同部位鋪層順序的不同，使用邊界線將基準(zhǔn)面分隔，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。考慮到蒙皮承受一部分的面外壓力，將其簡(jiǎn)化為殼元，材料為層合板，泡沫材料視為一層單向板[16]。艙門對(duì)合處密封支架承受一部分彎曲，簡(jiǎn)化為梁元。艙門打開情況下伸縮桿承受軸向載荷，簡(jiǎn)化為桿元。鉸鏈、快卸鉤鎖、插銷鎖對(duì)艙門的約束用多節(jié)點(diǎn)約束代替，鉸接處釋放1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，建立有限元模型見圖4。利用MSC.Patran定義不同鋪層的方向角和厚度，將所定義的材料賦給有限元模型。

2.2 計(jì)算分析

APU艙門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核包括LC1和LC2兩種載荷工況，見表1，載荷是兩種工況下的極限載荷。使用MSC.Nastran軟件在兩種工況下對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)變?cè)茍D。

圖4 APU艙門結(jié)構(gòu)有限元模型

在飛行情況下，在載荷LC1的作用下，計(jì)算得到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)變?cè)茍D，見圖5～圖8。最大變形區(qū)域在左側(cè)壁板、前部?jī)蓚€(gè)鉤鎖之間①,為0.705 mm，最大拉應(yīng)變區(qū)域在左側(cè)壁板、前端插銷鎖處②，為359 με，最大壓應(yīng)變區(qū)域在4號(hào)鉸鏈處③，為316 με，最大剪應(yīng)變區(qū)域在4號(hào)鉸鏈處④，為291 με。

圖5 在載荷LC1作用下的變形云圖

圖6 在載荷LC1作用下的拉應(yīng)變?cè)茍D

在地面打開時(shí)結(jié)構(gòu)通過1根支撐桿支撐，在3號(hào)和4號(hào)鉸鏈上分別設(shè)計(jì)了打開限位塊，防止艙門超出最大打開角度。風(fēng)載加在艙門內(nèi)表面上，方向由內(nèi)向外，在載荷LC2的作用下，計(jì)算得到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)變?cè)茍D，見圖9～圖12。最大變形區(qū)域發(fā)生于壁板后部中間處⑤，為11.8 mm，最大拉應(yīng)變發(fā)生在4號(hào)鉸鏈處⑥，為1 200 με，最大壓應(yīng)變發(fā)生在4號(hào)鉸鏈處⑦，為1 040 με，最大剪應(yīng)變發(fā)生在4號(hào)鉸鏈處⑨，為1 100 με。

圖7 在載荷LC1作用下的壓應(yīng)變?cè)茍D

圖8 在載荷LC1作用下的剪應(yīng)變?cè)茍D

圖9 在載荷LC2作用下的變形云圖

圖10 在載荷LC2作用下的拉應(yīng)變?cè)茍D

圖11 在載荷LC2作用下的壓應(yīng)變?cè)茍D

圖12 在載荷LC2作用下的剪應(yīng)變?cè)茍D

由各工況下變形圖和應(yīng)變圖得最大應(yīng)變和最大變形位移見表6，最大應(yīng)變滿足要求，最大變形接近極限位移要求，說明這種情況下可以按零件剛度設(shè)計(jì)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已充分優(yōu)化，滿足在飛行工況和地面打開工況下的強(qiáng)度和剛度要求。

表6 最大變形位移和最大應(yīng)變

3 減重分析

B737飛機(jī)APU艙門主承力部件是鋁合金結(jié)構(gòu)，包括外蒙皮、框、梁和鎖支座，見圖13。用CATIA軟件測(cè)量鋁合金結(jié)構(gòu)三維模型得到重量為12.536 kg。在鋁合金結(jié)構(gòu)上裝有玻璃纖維防火罩，見圖14，玻璃纖維預(yù)浸料單層厚度0.3 mm，面密度0.310 9 kg/m2，測(cè)量三維模型得到重量為7.873 kg。B737飛機(jī)APU艙門金屬結(jié)構(gòu)總重量W1=20.409 kg。

圖13 金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)型

圖14 玻璃纖維罩構(gòu)型

金屬結(jié)構(gòu)包含了鎖支座和防火罩，為得到較準(zhǔn)確的對(duì)比結(jié)果，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量也應(yīng)該包括鎖支座、鎖防火罩和其它支座，重量為1.828 kg，得到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)總重W0=15.153 kg。

B737飛機(jī)金屬APU艙門結(jié)構(gòu)與此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)尺寸和重量對(duì)比情況見表7，表中：L1為航向最大邊長(zhǎng)，L2為橫向最長(zhǎng)邊長(zhǎng)，S為外蒙皮面積，M為結(jié)構(gòu)重量。

表7 復(fù)合材料門和金屬門的對(duì)比

由表7得到：兩個(gè)艙門開口尺寸相近，開口面積相差不到0.05%，所以B737 APU艙門結(jié)構(gòu)可以等效為此機(jī)型APU艙門的金屬結(jié)構(gòu)，經(jīng)計(jì)算得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)減重達(dá)25.8%，減重效果明顯。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了滿足設(shè)計(jì)要求的復(fù)合材料APU艙門夾層結(jié)構(gòu)，材料選擇應(yīng)用于A380飛機(jī)APU艙的碳纖維-新型苯并惡嗪樹脂預(yù)浸漬料和聚甲基丙烯酰亞胺閉孔剛性泡沫，通過設(shè)計(jì)鋪層，使用MSC.Patran建立夾層結(jié)構(gòu)有限元模型并進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算，最后與B737飛機(jī)APU艙門進(jìn)行重量對(duì)比分析，總結(jié)得出：

(1)185 ℃固化的碳纖維苯并惡嗪樹脂預(yù)浸料和聚甲基丙烯酰亞胺閉孔剛性泡沫共固化形成的復(fù)合材料壁板可用于APU艙門結(jié)構(gòu)，滿足適航規(guī)章的防火和耐高溫要求。

(2)通過有限元模型分析結(jié)果，說明此復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)滿足在飛行工況和地面打開工況下的強(qiáng)度和剛度要求，在輸入條件相同情況下，壁板可以按零件剛度設(shè)計(jì)。

(3)與同尺寸金屬結(jié)構(gòu)比較，APU艙門復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)減重25.8%。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：劉紅江)

StructuraldesignandanalysisofaircraftcompositeAPUdoors

ZHAO Xiao-long,WANG Yan

(The Research & Development Center,AVIC SAC Commercial Aircraft Company Limited，Shenyang 110013，China)

According to the structure configuration,airworthiness standards and door loads,structures of composite auxiliary power unit doors are studied.To meet the requirements of fire protection and lightning protection,a composite sandwich structure is designed with advanced carbon fiber composites and foam.The stress and displacement of the sandwich structure are analyzed by a finite element model under the aerodynamic and wind load.The strain and displacement graphs prove that the structure meets the design requirements.The metal structures and the weight of a B737 APU door with a 3D model of equivalent weight are studied.The results show that the composite sandwich structures of APU door is 25.8% lighter.

APU door;structure design;composite material;strength analysis;sandwich structure

2014-05-04

趙小龍(1984-)，男，山西忻州人，工程師，主要研究方向：飛機(jī)艙門設(shè)計(jì)，E-mail:zhao.xiaolong@sacc.com.cn。

2095-1248(2014)04-0059-06

V223

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.04.012