民用飞机机组存储柜的结构设计和强度校核

庞锦平

（中航飞机研发中心环控救生所，陕西 西安710089）

民用飞机机组存储柜的结构设计和强度校核

庞锦平

（中航飞机研发中心环控救生所，陕西 西安710089）

结合民用飞机存储柜的改造需求，提出一种先结构设计后强度校核的设计流程。结构设计方面，在分析舱内布局和可行空间的基础上确定存储柜的造型和尺寸；强度校核方面，提出一种利用有限元的分析结果作为最大应力输入的剩余强度校核方法，并以某型号民用飞机的存储柜为例进行校核，验证了存储柜的设计强度满足要求。

民机；存储柜；结构设计；强度校核

机内存储设施是民用飞机舱内生活设备的组成部分，用于存储机组人员飞行和生活用品、旅客携带的行李物品以及舱内配置的应急救生设备等［1］。在存储设施设计过程中，必须考虑两个方面：一是结构设计，主要包括存储设施的材料、结构型式、安装方式等的设计；二是可靠性设计，使其满足适航条款中规定的舱内设备在应急着陆情况下的强度安全要求［2］。

本文针对某型号民用飞机改装过程中需要增装机组存储柜的问题，设计储存柜的结构尺寸并在极限条件下进行强度校核，确保其满足使用性和可靠性的要求。

1　存储柜设计要求

根据某航空用户要求，需在某型号飞机客舱内增装存储柜。结合适航条款CCAR-25 R4［2］中相关规定，设计要求如下：

（1）容积负载要求：柜体通过隔板分为上下两个独立空间，其中上部小空间限重10 kg，下部大空间至少容纳三个18寸飞行箱，限重70 kg.

（2）外形尺寸要求：柜体不得超过预留空间；确保存储柜装配体可通过登机门洞和分舱板门洞；满足旅客过道宽度的相关适航要求。

（3）强度安全要求：在临界负载下，满足适航条款中对应急着陆情况的强度安全要求。

（4）制造材料要求：必须满足适航条款中对阻燃特性、热辐射特性和发烟特性的要求。

2　存储柜的结构设计

2.1结构形式及材料选择

综合考虑成本和工艺等因素，存储柜采用分体式结构形式，柜体壁板材料采用酚醛树脂基玻璃预浸布包覆的NOMX蜂窝芯夹层结构，酚醛树脂基玻璃预浸布是一种可靠的航空复合材料，具有强度高、抗疲劳性能好和耐高温性好等优势［3-5］，符合CCAR 25.853中对舱内材料的要求。

2.2尺寸设计

根据CCAR-25.815的规定，客座量大于20座的飞机，座椅之间的旅客过道最小宽度要求，参看图1中的Lmin1和Lmin2.结合客舱内预留空间，得到存储柜的可用空间区域见图1中的阴影所示。根据存储柜容纳三个标准18寸飞行箱的容积要求以及登机门洞（750 mm×1 405 mm）和分舱板门洞（556 mm×1 799 mm）对通过性的限制，最终得到存储柜的外形及有效尺寸。存储柜由顶板、前壁板、后壁板、底板、侧隔板、侧壁板、门板（两个）及分隔板构成，分隔板将存储柜分为上下两层，见图2（a）所示。后壁板通过螺栓固定在分舱板上，前壁板用L型连接型材通过螺栓与地板下的结构型材连接，分别见图2（b）和（c）.

图1　存储柜可用空间区域示意图

图2　存储柜CAD造型及螺栓分布位置

3　基于有限元仿真的强度校核

3.1强度校核基本原理

强度校核是存储柜设计中的最后步骤，用以校验设计结果是否符合工况需求。本文需校核项目为连接型材强度、连接部位螺栓强度以及存储柜强度，采用的校核标准是剩余强度，基本思路是利用有限元的分析结果作为实际最大应力输入，进而计算剩余强度。

（1）对于型材强度，可以采用

式中，σb为强度极限；σ为最大应力绝对值；当时η＞1，则满足要求。

（2）在计算螺栓拉剪复合的剩余强度时，则需要先计算以下参数

式中，

σb为螺栓的强度极限；σ综合为螺栓拉剪复合时的综合计算应力；τ为螺栓受剪时的计算应力；σP为螺栓受拉时的计算应力；Q为螺栓剪力；P为螺栓拉力；A为螺栓光杆处的面积；d为螺栓直径。

（3）对于存储柜的强度校核，参考文献［3］中对复合材料铺层的失效校验方法，选用蔡-胡失效准则进行强度校核，强度比方程为

式中，

式中：Xt为纵向拉伸强度，Xc为纵向压缩强度；Yt为横向拉伸强度，Yc为横向压缩强度；S为纵横剪切强度；为参数相关项，通常-1＜＜1.

3.2有限元仿真

存储柜的设计强度必须满足CCAR-25.561，即存储柜在受到应急着陆情况下的极限惯性载荷时仍满足强度安全要求。柜体最大负载为80 kg，极限工况及对应的载荷系数分别为：向上，3.0；向前，9.0；侧向，3.0；向下，6.0；向后，1.5.

有限元分析方法在飞机的设计和分析中应用广泛［6］。本文建立存储柜和结构框两个有限元模型用于仿真计算强度校核过程中所需的实际最大应力，如图3所示。然后，采用MSC Nastran软件的静力模块进行应力分析和求解。

图3　有限元应力云图

3.3强度校核结果

（1）连接型材的强度校核

型材材料为LY12-CZ，强度极限为σb=390 MPa.仿真计算得出工况2下出现最大应力σv=35.7 MPa.计算剩余强度得η=10.9＞1，因此，地板上型材符合强度安全要求。

（2）连接部位螺栓的强度校核

螺栓材料为30CrMnSiA，强度极限为σb=1 080MPa.螺栓直径b=5 mm.参考《飞机设计手册》［3］可得螺栓剪切强度极限τb=0.63σb.根据仿真结果计算得出螺栓的最小剩余强度η=11.4＞1，故所有螺栓满足强度要求。

（3）存储柜的强度校核

酚醛树脂基玻璃预浸布铺层的基本强度参数为：Xt=403 MPa，Xc=383 MPa，Yt=416 MPa，Yc=452 MPa，S=85 MPa，F*12=-0.5.通过仿真和计算可知，在最严重的工况2条件下，各铺层最小剩余强度ηmin=30.1＞1，故存储柜满足强度要求。

4　结束语

本文结合民用飞机存储柜的改造需求，提出一种先结构设计后强度校核的设计流程。在结构设计方面，结合适航条款中对民机过道宽度的要求，分析舱内布局和可行空间，在此基础上确定存储柜的造型和尺寸。在强度校核方面，提出了一种基于有限元分析的剩余强度校核方法。该方法利用有限元的分析结果作为实际最大应力输入，进而计算剩余强度。根据适航条款中对应急着陆情况下的极限惯性载荷规定，以某型号民用飞机的存储柜为例进行校核，验证了存储柜的设计强度满足要求。

［1］马旭章.飞机设计手册第11分册民用飞机内部设施［M］.北京：航空工业出版社.1998.

［2］CCAR-25-R4.中国民用航空规章第25部——运输类飞机适航标准［S］.

［3］潘先进.民用飞机内饰材料研究［J］.装备制造技术，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］马立敏，张嘉振，岳广全，等.复合材料在新一代大型民用飞机中的应用［J］.复合材料学报，2015，32（2）:317-322.

［6］冯宇晨，郭建忠.飞机全机结构有限元建模关键技术研究［J］.装备制造技术，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

庞锦平（1988-），女，陕西西安人，硕士，助理工程师，研究方向：飞机内饰系统研究。