某型飞机垂尾前缘抗鸟撞减重设计

摘 要：在满足抗鸟撞要求的基础上，对某型飞机垂尾前缘进行减重优化，将部分铝合金材料替换为碳纤維复合材料，减重明显。

关键词：垂尾；碳纤维；复合材料；飞机

中图分类号：V221 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.128

近年来，世界各国强调了生态环境保护，导致飞机在低空高速飞行时极易发生与大鸟相撞事故。1976-03—1986-03，美国空军飞机就发生鸟撞飞机风挡事故2 721次，其中，109次座舱玻璃被击穿。1962年一架“子爵”号飞机与一只7 kg的大鸟相撞造成空难事故，机上17人全部丧生。因此，现代飞机结构必须设计成具有抗鸟撞能力。垂尾前缘是飞机鸟撞的危险区域，直接影响飞机飞行安全，对飞机垂尾前缘进行抗鸟撞分析是十分必要的。同时，随着科学技术的进步，对于大型客机而言，减重的要求不断提高，这可以极大降低飞机的成本。强度、刚度高的复合材料在民用飞机上的大量应用，为飞机的减重作出了巨大贡献。波音公司的B787飞机、空客公司的A350飞机复合材料减用量都达到了50%.复合材料在飞机上的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。本文着重研究了在满足抗鸟撞的要求下，将垂尾前缘部分铝合金材料替换为先进的碳纤维复合材料，从而实现对垂尾前缘的减重设计。

1 理论分析

在新型飞机的设计过程中，飞机结构的抗鸟撞能力必须取得有试验依据的分析和验证。但试验验证成本高、周期长，设计初期可以通过数值模拟或经验公式辅助设计。鸟撞时的载荷通常由试验支持的经验公式求出。除动力响应分析方法外，还有能量法，动力响应分析方法。本文采用能量法从能量的角度考虑鸟撞挤时穿透蒙皮和腹板需要多少动能，以及鸟的动能是否大于穿透蒙皮和腹板所需动能。

对于前缘蒙皮吸收的能量，分为以下3种。

2 减重优化

为了减少垂尾前缘的质量，将鸟撞对前缘蒙皮产生破坏较小的部分用CFRP材料来代替金属材料。在实际鸟撞过程中，鸟的速度可以分解为法线方向和切线方向，如图1所示， 前缘蒙皮部分只吸收法线方向速度产生的能量，称为有效动能。本文中将a点到b点之间的蒙皮外轮廓分为15等份，分别命名为Point1～Point16，其中点b为前缘外轮廓对飞机纵轴倾斜15°的切点。

计算结果表明，在Point8～Point16的部位，鸟撞的有效动能已经很小，如图2所示，所以在Point8之后的前缘蒙皮的材料可以换成重量较轻的CFRP材料，其厚度为1.5 mm。

当Point8～Point16的蒙皮换成CFRP材料后，重新计算此部分吸收的能量。计算结果表明，如图3所示，在Point12～Point16间的蒙皮吸收的能量大于鸟撞的有效能量，所以以Point12为节点，Point1～Point12之间的蒙皮用金属材料，Point12～Point16之间的蒙皮可以换成CFRP材料。

3 结论

通过对垂尾前缘的优化，结构的27%的铝合金蒙皮可以替换为比强度高的碳纤维复合材料，实现减重15%.文中的减重优化方法适用于大部分飞机抗鸟撞部件，可为其他部件的减重提供参考依据。

参考文献

[1]李娜，吴志斌，孔令勇，等.某型飞机平尾前缘抗鸟撞优化设计[J].飞机设计，2014，34（05）.

作者简介：杨敏超（1984—），女，硕士，工程师，研究方向为力学分析、结构动强度设计。

〔编辑：张思楠〕