下單翼飛機(jī)主起落架艙補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

趙 莉 呂國(guó)成 牛福春 /

(中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司工程研發(fā)中心,沈陽(yáng) 110013)

0 引言

民用客機(jī)起落架一般為常規(guī)的前三點(diǎn)式可收放式起落架，主起落架布置于機(jī)翼兩側(cè)靠近翼根的位置。起落架的布置與飛機(jī)重心相關(guān)，是保證飛機(jī)起飛著陸姿態(tài)、地面滑跑穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性的重要結(jié)構(gòu)。主起落架艙(以下簡(jiǎn)稱主起艙)是在機(jī)身中下腹部開設(shè)的橫貫機(jī)身的大開口，用于飛機(jī)起飛后起落架的收納。主起艙給機(jī)身蒙皮形成較大開剖面，需要設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，加之與機(jī)身、外翼、中央翼盒的框梁等主要傳力結(jié)構(gòu)相連，使該處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和方案選擇異常復(fù)雜。本文對(duì)傳力分析和強(qiáng)度有限元計(jì)算，探討不同形式的主起艙補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

1 主起艙位置及功能

主起艙位于機(jī)身中下腹部，是機(jī)身蒙皮開口與客艙增壓地板下方形成的艙體。主起艙與翼身對(duì)接結(jié)構(gòu)一同包絡(luò)在整流罩內(nèi)部，整流罩設(shè)計(jì)開口安裝主起艙門。收放起落架的同時(shí)，艙門會(huì)自動(dòng)打開和關(guān)閉，不影響整體氣動(dòng)外形。主起艙開口的大小和形狀取決于主起落架輪胎的數(shù)量和布置，主起艙和翼身整流罩位置見圖1，主起艙門和主起艙開口見圖2。

圖1 主起艙位置

2 主起艙結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

主起艙位于翼身整流罩內(nèi)部、客艙壓力地板的下方，屬于機(jī)身內(nèi)部非增壓區(qū)[1]。由于緊挨外翼和中央翼盒，是翼身連接區(qū)一個(gè)較為重要的開口結(jié)構(gòu)。主起艙是外翼與機(jī)身、尾翼實(shí)現(xiàn)載荷平衡的必經(jīng)區(qū)域：外翼載荷通過(guò)中央翼盒和機(jī)身壁板傳遞到機(jī)身，與平尾負(fù)升力和機(jī)身慣性力平衡；機(jī)翼升力產(chǎn)生的彎矩由中央翼盒上下壁板承擔(dān)，在翼盒處達(dá)到平衡；主起艙在機(jī)身薄壁蒙皮形成開口，開口薄壁截面會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，需通過(guò)截面周邊的剪流q來(lái)平衡，即機(jī)身蒙皮、翼盒梁腹板等結(jié)構(gòu)來(lái)平衡。除此以外，外翼的偏轉(zhuǎn)和震顫[2]產(chǎn)生的疲勞，降落過(guò)程中起落架產(chǎn)生的沖擊，都使框、梁等主要承力結(jié)構(gòu)承受較大集中力載荷。這些載荷通過(guò)機(jī)翼后梁以及主起艙補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)向機(jī)身傳遞。主起艙周圍結(jié)構(gòu)傳力及剪流分布如圖3所示。

圖3 主起艙周圍結(jié)構(gòu)受力情況

為承擔(dān)外翼展向彎矩和弦向扭矩，機(jī)身在機(jī)翼前后梁對(duì)應(yīng)位置布置了相對(duì)較強(qiáng)的機(jī)加梁框。由于機(jī)翼的后掠[3]效應(yīng)，機(jī)翼后梁相比前梁分配到的載荷更高，翼根后緣形成較大應(yīng)力集中區(qū)，因此機(jī)身后梁框受力較大。由于后梁框連接主起艙，使改開口承受更大的扭矩，因此開口處需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。機(jī)身和外翼前后梁框布置如圖4所示。

圖4 機(jī)翼前后梁布置

3 主起艙開口補(bǔ)強(qiáng)形式

一般結(jié)構(gòu)開口均通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)以獲得較高的許用應(yīng)力，機(jī)身是薄壁筒狀結(jié)構(gòu)，任何位置的開口都將承受彎曲、拉伸、壓縮及垂尾產(chǎn)生的機(jī)身扭矩，根據(jù)一般理論計(jì)算結(jié)果，有開口圓管的剪應(yīng)力是無(wú)開口圓管剪應(yīng)力的60倍；對(duì)于給定的扭矩，有開口圓管的扭轉(zhuǎn)角度是無(wú)開口圓管的1 200倍[3]。主起艙在機(jī)身的開口則承受了機(jī)身和機(jī)翼的雙重扭矩，因此勢(shì)必需要通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)以降低扭矩帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。補(bǔ)強(qiáng)形式根據(jù)開口的功能、位置、形狀和大小決定，目前服役較好的幾種民用客機(jī)主起艙開口補(bǔ)強(qiáng)形式有兩種：一種是空客A320兩塊三角形組合式加筋板[4]，另外一種是波音787一塊梯型整體式加筋板。三角形組合式加筋板由三角形鋁合金薄板、加筋桁條、斜向梁組成；整體式梯形板則由梯形鋁合金厚板整體機(jī)加形成，分為橫、縱向筋條。三角形結(jié)構(gòu)見圖5，梯形結(jié)構(gòu)見圖6。

圖5 空客A320主起艙補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

圖6 波音787主起艙補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

3.1 三角形補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

三角形補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)在空客飛機(jī)上應(yīng)用最廣，后續(xù)開發(fā)的遠(yuǎn)程大型客機(jī)A330在主起艙開口位置仍沿襲A320設(shè)計(jì)思想。三角形補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料的厚度應(yīng)與機(jī)身下部最厚處蒙皮厚度相當(dāng)，如以下算例中三角板選用邊緣厚度4 mm的2024鋁合金，桁條采用7075-T73511型材，計(jì)算時(shí)可以簡(jiǎn)化為三角形板桿結(jié)構(gòu)。三角形結(jié)構(gòu)本身是一個(gè)幾何不變系統(tǒng)，即在外力作用下可以保持其幾何形狀不發(fā)生變化，因此三角形薄板三邊剪流均為零，不傳遞剪流。橫向加筋簡(jiǎn)化為桿元和梁元，承受軸向力，板桿之間只存在相互作用的剪流，剪流方向沿著板的周邊并與桿軸一致，可以保證后梁框上的力(FZ)向上傳遞到機(jī)身壁板。該方案的弊端是三角板最下端是一個(gè)剛性拐點(diǎn)，升力及沿斜框的力(Fcanted)均經(jīng)過(guò)該點(diǎn)向上傳遞，產(chǎn)生嚴(yán)重應(yīng)力集中。如表1所示，按翼根界面載荷輸入進(jìn)行有限元[5]分析，三角形板桿簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)見圖7，有限元載荷節(jié)點(diǎn)分布見圖8。

表1 翼根界面載荷輸入

圖7 三角形加筋板補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

圖8 三角形加筋板有限元節(jié)點(diǎn)載荷

3.2 梯形補(bǔ)強(qiáng)板強(qiáng)度分析

波音787采用一塊梯形加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，即只在后梁處安裝一個(gè)剛度較強(qiáng)的雙面機(jī)加梯形板。以下算例中梯形板材料采用6 mm厚度的7075鋁板，按表1載荷輸入進(jìn)行有限元分析，可以看出集中應(yīng)力也下降了一半以上，解決了根部應(yīng)力集中問(wèn)題。由于梯形板的強(qiáng)度、剛度，以及各種連接要求，使梯形板在設(shè)計(jì)加工上更多傾向于整體式結(jié)構(gòu)，相對(duì)薄板與筋條的組合結(jié)構(gòu)形式，梯形板在材料加工成本上會(huì)有所增加，但裝配簡(jiǎn)單。梯形板補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖9，有限元分析結(jié)果見圖10。

圖9 梯形板補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

圖10 梯形板有限元節(jié)點(diǎn)載荷

3.3 兩種補(bǔ)強(qiáng)方案對(duì)比

通過(guò)分析可以看出，三角形和梯形補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)都可以將部分外翼升力向機(jī)身傳遞，使外翼因扭矩產(chǎn)生的軸向力傳遞更平緩，減少機(jī)翼因扭矩產(chǎn)生的變形；對(duì)于機(jī)身，改善機(jī)身后梁框連接處的受力品質(zhì)，降低后梁框載荷，有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。三角形和梯形結(jié)構(gòu)形式在傳力上有所差別，相比三角形，梯形的四邊結(jié)構(gòu)對(duì)剪力的傳遞最為有效，可以將外翼升力以

分布剪力的形式傳至機(jī)身。在與中央翼盒后梁連接處，梯形板不存在三角形那種剛性拐點(diǎn)。通過(guò)上面有限元計(jì)算可以看出，梯形板各節(jié)點(diǎn)載荷均低于三角板。此外，梯形板下部空間結(jié)構(gòu)可以與中央翼盒下翼面處于同一平面，下部軸壓載荷可通過(guò)梯形板傳遞到機(jī)身和龍骨梁，更加能夠降低周邊結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

4 結(jié)論

對(duì)主起艙合理的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，不僅能夠降低機(jī)身下部開口扭矩，而且可以參與機(jī)翼和機(jī)身載荷的傳遞，有效降低周邊結(jié)構(gòu)應(yīng)力。補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式可以采用三角形結(jié)構(gòu)也可以采用梯形結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮配合翼身連接處后梁框的剛度和強(qiáng)度。可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單較弱的三角形補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)機(jī)身梁框強(qiáng)度的設(shè)計(jì)；也可以設(shè)計(jì)較強(qiáng)的梯形面板補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，降低機(jī)身梁框強(qiáng)度的設(shè)計(jì)。結(jié)合翼身結(jié)構(gòu)布局，充分考慮載荷分配及傳力路線設(shè)計(jì)，同時(shí)根據(jù)飛機(jī)壽命評(píng)估最終成本的經(jīng)濟(jì)性。