民航客機后壓力框結構設計技術分析與研究

羅騰騰 ∕

(上海飛機設計研究院，上海201210)

民航客機后壓力框結構設計技術分析與研究

羅騰騰 ∕

(上海飛機設計研究院，上海201210)

后壓力框結構是飛機非常重要的結構部件，主要承受客艙機身的氣密載荷。研究了大量機型后壓力框結構形式，分解了相關設計要求，概括了相關設計方案，深入探討了該結構部件的相關設計特點和發(fā)展趨勢。

后壓力框；飛機；球皮結構

0 引言

后壓力框結構主要承受飛機客艙內(nèi)的氣密載荷，是機身內(nèi)部一個封閉式的氣密端框，承受地-空-地循環(huán)氣密載荷，是機身中重要的耐疲勞承力結構，疲勞問題需要重點考慮。一般情況下，后壓力框結構站位是飛機部段的一個重要工藝分離面，也是中后機身與后機身的機身對接面。

1 中后機身與后機身工藝分離面

由于飛機總體設計、部段生產(chǎn)裝配和部段運輸?shù)认嚓P要求，以空客和波音為代表的主流飛機機型中后機身與后機身的工藝分離面均在后壓力框處(A320、A340、波音737、波音747、波音767、波音777)，以A350、A380、波音787為代表的先進遠程寬體客機工藝分離面(中后機身和后機身的機身分段)同樣也在后壓力框處，如圖1所示，它們的成功經(jīng)驗對他國研制寬體遠程客機具有較好的借鑒意義。

2 后壓力框結構設計要求

后壓力框結構需滿足以下設計要求：

1)后壓力框結構需滿足機身氣密載荷，包括限制增壓載荷、極限增壓載荷、限制負壓載荷、極限負壓載荷。

2)后壓力框的球皮結構如果為復材，其材料的選取要滿足25.853適航條款中關于客艙內(nèi)部設施材料阻燃的要求。

3)如果后壓力框結構與垂尾前梁結構相互連接，那么后壓力框一共要承受三種載荷：一為突風和偏航時垂尾安裝接頭傳來的集中拉、壓載荷和垂尾前梁腹板傳來的剪力；二為客艙的增壓及負壓載荷；三為蒙皮傳遞的機身拉壓載荷。

3 后壓力框結構連接形式

后壓力框結構從球皮結構的連接形式區(qū)分為以下兩種設計方案：

1)球皮結構通過“Y”型材零件或接頭零件直接與機身蒙皮相連接，這種連接形式稱為后壓力框球皮結構外接方案；

2)球皮結構通過“Y”型材零件直接與框結構連接，再通過中后機身相關角撐結構與機身蒙皮相連接，這種連接形式稱為后壓力框球皮結構內(nèi)接方案。

3.1 球皮結構內(nèi)接方案

空客飛機A320、A340、A350和A380都采取了后壓力框球皮結構內(nèi)接方案，如圖2所示，這種連接方案傳力路徑較長，航向傳力路徑先到“Y”型材再到“J”型框，通過中后機身角撐最后到中后機身蒙皮上，一般而言重量都較重，但是相關的球皮結構比較好設計，很多的系統(tǒng)通過孔可以布置在高度較高的、結構較強的“J”型框上，可以大幅度減少在球皮結構上的開孔以及減輕相關開口加強重量，國內(nèi)相關民機的后壓力框結構也吸取和借鑒了相關設計經(jīng)驗。

3.2 球皮結構外接方案

波音飛機B737、B747、B767和B777都采取了后壓力框球皮結構外接方案，如圖3所示，這種連接方案傳力路徑較短，一般而言重量都較輕，但是相關的球皮結構比較難以設計，所有的系統(tǒng)通過孔均布置在球皮結構上，球皮結構上的開孔數(shù)量眾多以及相關開口加強重量也不少。

另一種后壓力框球皮結構外接方案如圖4所示，這種連接方案與波音的設計風格稍有不同，波音的設計特點是通過機身的前后對接接頭傳走球皮結構所受氣密載荷的航向分量，而此方案是通過“Y”型材直接與機身蒙皮相連接傳走球皮結構所受氣密載荷的航向分量。波音設計方案的“Y”型材容易成型，而此方案的“Y”型材成型難度相當大，尤其是在機身截面不規(guī)則、曲率變化較大時。

3.3 兩種方案重量比較

以圖2和圖4兩種典型后壓力框結構進行重量對比分析，兩種結構方案的重量差異主要表現(xiàn)在中后機身角撐組件(1)、鋁合金框(2)、鈦合金“Y”型材(3)和球皮(4)，如圖5紅圈位置所示。

以后壓力框站位機身直徑3 000m、框高150mm為例，其余厚度尺寸保持一致，經(jīng)初步設計和分析重要零組件重量差異見表1。

表1 后壓力框兩種方案重量對比分析 (單位：kg)

鋁合金框斜撐組件復材球皮結構鈦合金“Y”型材緊固件內(nèi)接28．236．4528．519．51．2外接34．3033．427．60差異-6．136．45-5．1-8．11．2總計18．35

從表1可以得出內(nèi)接方案比外接重量重?？偟膩碚f，后壓力框球皮結構內(nèi)接方案傳力路徑較復雜、重量較重，后壓力框球皮結構外接方案傳力路徑簡單直接、重量較輕，采取何種設計方案要統(tǒng)籌平衡各方面約束條件、綜合考慮。

4 后壓力框結構設計

一般情況下，后壓力框站位是后機身與中后機身的機身對接面，后機身與中后機身的蒙皮是斷開、不連續(xù)的，無論后壓力框采取后壓力框球皮結構內(nèi)接方案還是后壓力框球皮結構外接方案，后壓力框結構均是由框、“Y”型材和球皮結構組成，都包括“Y”型材、接頭、框(或由外緣條和內(nèi)緣條共同組成)和球皮結構。

4.1 “Y”型材

“ Y”型材主要承受疲勞載荷，一般而言，“Y”型材使用抗疲勞性能較好的鈦合金材料。其中在圖4球皮結構外接方案2中，球皮結構與機身理論外形的夾角θ(也就是“Y”型材的夾角θ)是后壓力框結構重要的設計驅動要素，球皮結構與“Y”型材的連接需要一定的安裝空間，后機身蒙皮與“Y”型材的連接也需要一定安裝空間，理論上來說，“Y”型材夾角θ為45°最佳，“Y”型材上下兩側的安裝空間均同時考慮到了，但是也與球皮理論外形設計、厚度、安裝位置有關。在重量增加最小的情況，后壓力框設計中“Y”型材夾角θ實際上會做一定的調整。

相反，在后壓力框球皮結構內(nèi)接方案中，由于“J”型框高度較高，安裝空間不存在任何問題，“Y”型材夾角θ的設計反而顯得沒有那么重要。

4.2 接頭

由于中后機身蒙皮與后機身蒙皮在后壓力框站位處斷開、不連續(xù)，那么各自的長桁也在此處斷開，為保證長桁航向上的傳力連續(xù)性，因此，設計了連接長桁端頭的接頭，以保證飛機結構在后壓力框站位處的航向傳力性能。接頭一般是鈦合金材料的機加件。

4.3 框

框有3種形式：(1)由整體機加的鋁合金框組成；(2)由鋁合金型材鈑彎零件內(nèi)外緣條組成；(3)由“Y”型材零件以外緣條形式參與組成(波音787)。

4.4 球皮結構

理想的球皮外形是一個規(guī)則球面，在機身艙內(nèi)增壓載荷作用下，球皮表面產(chǎn)生張力、無應力集中出現(xiàn)，此時球皮結構具有較好的抗疲勞性能。然而，大多數(shù)情況下飛機后壓力框站位的機身橫截面并不是正圓(一般情況下是由兩個及兩個以上的圓組成)。所以，空客為了簡化球皮結構的設計，采取了后壓力框球皮結構內(nèi)接方案，球皮的理論外形為正球冠設計；此外，也可以調整好后壓力框站位的機身截面形狀，并對球皮外形進行修形，獲得一個光滑的、曲率變化相對較小、受力均勻的球皮外形。

球皮在內(nèi)壓作用下，其環(huán)向應力、經(jīng)向應力沿厚度均勻分布，且遠小于膜應力，可忽略不計，在此基礎上把球皮當作薄膜處理。在內(nèi)壓作用下，球皮滿足經(jīng)典薄板和薄殼理論，如圖6所示。根據(jù)薄殼理論：

(1)

其中P為球皮壓力，R為球皮半徑，t為球皮厚度。

根據(jù)式(1)，可以推算出球皮最小厚度

t=PR/2 [Nθ]。

(2)

球皮結構前期一般普遍使用金屬結構，隨著復合材料技術的發(fā)展，現(xiàn)在的主流機型基本上使用復材球皮結構，一是減輕了球皮結構重量，二是降低了裝配工作量、提高了生產(chǎn)效率，現(xiàn)在國外大型客機后壓力框球皮結構應用復合材料的機型有A340、A380、波音787、A350等。其中，A340后壓力框球皮結構采用碳纖維預浸料和泡沫夾心通過熱壓罐工藝一次固化成型；A350后壓力框球皮結構采用無褶皺織物(non-crimp fabric，簡稱NCF)和泡沫夾心通過真空輔助液體成型工藝(VAP)一次固化成型；A380球皮結構的材料為碳纖維環(huán)氧樹脂基復合材料面板和聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫夾心加筋，利用了樹脂膜熔浸成形(RFI)工藝和熱壓罐二次固化成型工藝；波音787 后壓力框使用中等模量碳纖維，利用真空輔助液體成型工藝VARTM(Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding，簡稱VARTM)成型。國內(nèi)最先進的大型客機也采用了先進的設計理念和生產(chǎn)工藝，在球皮結構上使用了復合材料。

5 結論

隨著復合材料技術的逐步發(fā)展，復合材料后壓力框球皮結構在主流民用飛機上均有較大程度的應用，國內(nèi)外最新機型基本上完全使用了復合材料球皮結構方案，這是新的工程設計和應用領域，在后壓力框結構設計上有著較好的探索和研究意義。

[1] 牛春勻.實用飛機結構工程設計[M].北京:航空工業(yè)出版社，2008:174-189.

[2] 中國航空研究院.復合材料結構設計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[3] 牛春勻.實用飛機復合材料結構設計與制造[M].北京：航空工業(yè)出版社，2010.

Analysis and Research on the Rear Pressure Bulkhead Design for Civil Aircraft

LUO Tengteng

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

Rear pressure bulkhead (shortened form is RPB) is very important component of aircraft structures and withstand the cabin pressure load. This paper researches a great number of RPB structure, analyzes the design requirements related to the aircraft’s RPB. The RPB structure design was summarized. The design features and development trend about RPB structure were discussed.

rear pressure bulkhead(RPB)； aircraft； dome structure

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.01.015

V223

A