民用飞机整体油箱中实体边界的判定

薄晓莉

（上海飞机设计研究院强度设计研究部，上海200210）

民用飞机整体油箱中实体边界的判定

薄晓莉

（上海飞机设计研究院强度设计研究部，上海200210）

民用飞机整体油箱是指存储燃油用的机体盒段结构，在计算油箱内部的油压载荷时，实体边界的定义有着重要的作用，本文对如何判定实体边界提供了公式。如根据以往经验，密封肋才可作为油箱边界，如果结构上有开孔，则不能视为边界，这是很保守的。根据本文提供的判定公式，只要燃油箱内部隔板和挡板能表明可有效限制燃油流动时，即可判定为实体边界。本文进行了实例分析供判定参考，供民用飞机整体油箱油压载荷计算时使用。

民用飞机；整体油箱；实体边界

民用飞机整体油箱是指存储燃油用的机体盒段结构，一般将机翼盒段作为整体油箱，部分型号还将尾翼盒段作为整体油箱。

适航规章中明确规定：每个燃油箱必须承受运行中可能遇到的振动、惯性、油液及结构的载荷而不损坏。影响整体油箱油压载荷的因素有：油箱形状、飞机的载荷因数、燃油密度及飞机机动如俯仰、垂直突风等[1]。

目前，国内各民用飞机型号间关于整体油箱油压载荷的大小计算、影响区域等方面没有统一的标准。通常采用偏保守的工程方法，油压载荷偏大，这样会牺牲结构重量，导致生产成本的增加；油压载荷的作用结构考虑不全面，则会存在一定的安全风险；同时会造成不同型号在适航验证时要做大量的重复工作，导致人力、物力的浪费。

在计算整体油箱油压载荷时，实体边界的判定有其重要的作用，直接影响油压载荷的数值大小。

1 实体边界的重要性

应急着陆是一种动态瞬变的过程，燃油将在极短时间内重新形成新的液面，此液面与惯性载荷方向垂直，其是复合载荷作用下的复杂动态过程，为了获得简单且偏于保守的设计准则，采用分解在每个方向上的静态极限载荷来表征应急着陆载荷。

燃油箱必须能在其内部压力P按以下公式变化的极限流体设计条件下，防止破裂并保留住燃油[2]：

式中：P为油箱内每一点处的燃油压力；ρ为典型燃油密度；g为重力加速度；L为压力点与油箱最远边界（沿加载方向）之间的参考距离，具体见图1所示。

K=4.5，用于机身压力边界之外的燃油箱部分向前载荷情况；

K=9，用于机身压力边界之内或构成机身压力边界的燃油箱部分向前载荷情况；

K=1.5，用于向后载荷情况；

K=3.0，用于机身压力边界之内或构成机身压力边界的燃油箱部分向里和向外的载荷情况；

K=1.5，用于机身压力边界之外的燃油箱部分向里和向外的载荷情况；

K=6，用于向下的载荷情况；

K=3，用于向上的载荷情况。

图1 L示意图

公式（1）中L为压力点与油箱最远边界（沿加载方向）之间的参考距离，最远边界即为实体边界。根据以往经验，密封肋才可作为油箱边界，如果结构上有开孔，则不能视为边界。这是很保守的，也是本文进行实体边界定义的意义所在。

2 实体边界的判定

燃油箱内部隔板和挡板，如能表明可有效限制燃油流动时，可考虑为实体边界，只要：

（1）能承受飞机服役过程中预期的压力载荷情况；

（2）根据燃油流动方向，隔板将燃油箱分为上游空间与下游空间。在至少0.5 s的时间内，燃油无法从上游流动至下游。时间T保守的计算公式为：

式中：V为1 g平飞状态下，燃油箱内下游空间的空气体积。下游空间应是被实体隔板封闭的区域。在大部分情况下，可认为下游空间内含2%的空气体积；j为隔板上孔的数量；Cdi为孔i的排放系数，可保守的处理为Cdi=1，或者根据孔的大小和形状来确定；ai为孔i的面积；g为重力加速度；hi为孔i上游空间的液压油头，包括所有被实体隔板封闭的燃油区域；K为预期条件下的油压过载系数。

如要估算一个隔板是否为实体边界时，可以按照T=0.5 s，依据公式，反推计算隔板上允许的开孔面积。

3 实例分析

如图3所示为一个带两个椭圆形开孔及9个小孔的结构，如图2所示，其垂直于油头方向，与前一个实体边界的距离为h，油压过载系数K=9时，判定此结构是否可作为实体边界。

图2 要判定的结构位置示意图

图3 要判定的结构示意图

根据公式（1）推算，若为实体边界，结构上允许开孔的总面积为：

其中，前一个实体边界与要判定的结构之间的空间体积为2.3 m3，则V为空间体积的2%，为0.046 7 m3，T=0.5 s，Cd=1，h=1.016 m.

油压过载系数K=9时,计算得到a=0.01 m2，图3中，其中一个开孔面积为0.126 m2，则在油压过载系数为9时，此结构不能作为实体边界来考虑。把两个椭圆开孔用口盖有效封闭后，只有9个小孔（总面积小于0.01 m2）的情况下，该结构可以作为实体边界。

4 结论

燃油箱内部隔板和挡板，只要能表明可有效限制燃油流动时，即可判定为实体边界。

本文提供了判定公式，并且进行了实例分析。供民用飞机整体油箱油压载荷计算时使用。

[1]中国民用航空局.CCAR 25-R4中国民用航空规章第25部-运输类飞机适航标准[S].2011.

[2]欧洲航空安全局.CS-25 Amdt17 Certification Specifications and Acceptable Means of Compliance for Large Aeroplanes [S].2015.

Research of the Solid Barrier for Integral Fuel Tank of Civil Aircraft

BO Xiao-li
（Department of Strength Design，Shanghai Institute of Aircraft Design and Research，Shanghai 200210，China）

The integral fuel tank of civil aircraft is wing box segment structure which saving fuel,when calculating the hydraulic pressure of the fuel tank,the solid barrier is very important.The fuel tank internal barriers and baffles may be considered as solid boundaries if shown to be effective in limiting fuel flow.The report provides formula to calculate it,and analysis an example.Provide some reference to calculate the hydraulic pressure of the fuel tank of civil aircraft.

civil aircraft；integral fuel tank；solid barrier

V228.1

A < class="emphasis_bold">文章编号：1

1672-545X（2017）05-0039-02

2017-02-23

薄晓莉（1985-），女，安徽太和人，硕士研究生，工程师，研究方向：强度分析。