民机中央翼后梁油压载荷设计计算研究

董晓莉 方采文 / DONG Xiaoli FANG Caiwen(中航沈飞民用飞机有限责任公司，沈阳 110013)(AVIC Shenyang Aircraft Civil Aircraft Company Ltd., Shenyang 110013, China)

民机中央翼后梁油压载荷设计计算研究

董晓莉 方采文 / DONG Xiaoli FANG Caiwen
(中航沈飞民用飞机有限责任公司，沈阳 110013)
(AVIC Shenyang Aircraft Civil Aircraft Company Ltd., Shenyang 110013, China)

以某型客机中央翼后梁结构为例，从输入条件、受力分析及计算方法分析等方面，阐述了后梁结构受油压冲击的工程初算过程。旨在为后续相关结构的工程初算提供思路和借鉴。

民机；中央翼；后梁；油压；工程初算

0 引言

当前先进复合材料在飞机上应用的部位和用量的多少已成为衡量飞机结构先进性的重要标志之一，其在飞机结构中的应用也从最初的次结构过渡到了主结构甚至是主承力结构[1]。根据试航文件CCAR25.561中规定，飞机坠撞时向后最大燃油压力为1.5g，本文以某型飞机中央翼复合材料后梁为例，研究此工况下的工程初算方法。

1 输入条件

1.1 几何数模确定

以某型客机中央翼后梁作为研究对象，其中，中央翼内部结构为腹板肋结构形式。为方便分析，取两肋之间几何区域为单元进行分析，如图1所示。

简化后梁区域的面积分区如图2所示，其详细尺寸见表1，复合材料结构件力学参数见表2。

几何参数：L[in]L1[in]L2[in]H[in]h1[in]h2[in]h3[in]web＿t[in]2312．4510．553361340．183

表2 力学参数

其中：Eweb为复合材料梁腹板的弹性模量；Estiff_v为复合材料纵向加强筋的弹性模量；Estiff_H1、Estiff_H2分别为两个横向复合材料加强筋的弹性模量；Istiff_v为纵向加强筋的截面惯性矩；Istiff_H1、Istiff_H2分别为两个横向加强筋的截面惯性矩。

1.2 载荷假设

本文选取中央翼后梁燃油压强载荷为工况，油压载荷为面外载荷，仅提取两肋之间区域进行研究，肋连接加强件以及梁缘条刚度大，约束条件可假设为四边固支，油压载荷P以均布力的形式分布到后梁腹板上，参数见表3。

表3 后梁两肋简化区域参数

注：加速度为坠撞时燃油晃动对后梁的最大冲击加速度。

P=ρ×a×L=0.032×130×1.5=6.24lb/in2

2 分析过程

为计算油压工况下腹板上的最大应力，需要考虑腹板和加强筋之间的变形协调[2]。当垂直和水平加筋件不发生变形，腹板承受油压开始弯曲时，腹板最大应力(fedge)出现在长边中间点,如图3(A)所示；当垂直和水平加筋件也发生变行时，那么长边应力就会增加(fedge+finc)，如图3(B)所示。

2.1 面积分解

将区间面积分解为图2所示。其中A1、A2、A3、A4面积计算公式如下。

2.2 载荷计算

2.2.1计算筋条载荷分布

垂直加筋、水平加筋1、水平加筋2计算公式及结果见表4。

P_v_stiff=P×[(A1+A2)panel1+(A1+A2)panel2

+(A1+A2)panel3]

P_H1_stiff=P×[(A3+A4)panel1+(A3+A4)panel2]

P_H2_stiff=P×[(A3+A4)panel1+(A3+A4)panel3]

表4 筋条载荷分布

以下为油压对筋条均布力计算公式，表5为筋条均布力结果：

w_v_stiff=P_v_stiff/L

w_h1_stiff=P_h1_stiff/L

w_h2_stiff=P_h2_stiff/L

表5 筋条均布力

2.2.2纵横加筋交叉点变形协调分析

假设纵横加强筋交叉点U、L两点的相互作用力分别为P1、P2，如图4所示。以交叉点处纵横筋条挠度收敛为判据，设定收敛门槛为0.000 1。

1)首先计算U点变形协调问题

针对垂直加强筋stiff_v在U点的总挠度为：

Deflection stiff_v(U)=Deflection1

+Deflection2+Deflection3

其中：油压均布力引起的挠度为Deflection1；P1引起的挠度为Deflection 2；P2引起的挠度为Deflection 3。

针对水平加强筋stiff_H1的U点总挠度为：

Deflection stiff_H1(U)=Deflection4

+Deflection5

其中：油压均布力引起的挠度为Deflection4；P1引起的挠度为Deflection5。

当|Deflection stiff_v(U)-Deflection stiff_H1(U)|<收敛门槛，认为P1、P2为合理，可带入本文以下章节进行计算。

2)另外还需计算L点变形协调问题

针对垂直加强筋stiff_v的L点总挠度为

Deflection stiff_v(L)=Deflection1

+Deflection2+Deflection3

其中：油压均布力引起的挠度为Deflection1；P1引起的挠度为Deflection 2；P2引起的挠度为Deflection 3。

针对水平加强筋stiff_H2的L点总挠度为

Deflection stiff_H2(L)=Deflection4

+Deflection5

其中：油压均布力引起的挠度为Deflection4；P2引起的挠度为Deflection 5。

当|Deflection stiff_v(L)-Deflection stiff_H2(L)|<收敛门槛时认为P1、P2为合理，可带入本文以下章节进行计算。

经迭代计算本文取P1=P2=565 lb进行以下计算。

2.2.3垂直加筋分别在均布力和集中力作用下的挠度

垂直加筋在均布力作用下的挠度，结果见表6。

表6 油压均布力作用下的挠度

本结构中存在两处纵横加筋变形协调问题。一处是上侧的横向加筋与纵向加强筋之间的P1集中力作用，一处是下侧的横向加强筋与纵向加强筋之间的P2集中力作用。

以下是变形协调P1集中力作用下的挠度，如图5所示，结果见表7。

RB=P1-RAM=RAx-P1(x-a)

(如x

表7 集中力P1作用下的挠度

以下是变形协调P2集中力作用下的挠度，如图6所示，结果见表8。

RB=P2-RAM=RAx-P2(x-a)

(如x

表8 集中力P2作用下的挠度

2.2.4水平加筋分别在均布力和集中力作用下的挠度

首先计算水平加筋在均布力作用下的挠度，结果见表9。

表9 油压均布力作用下的挠度

本结构中存在两处纵横加筋变形协调问题。一处是上侧的横向加筋与纵向加强筋之间的P1集中力作用，一处是下侧的横向加强筋与纵向加强筋之间的P2集中力作用。则分别计算变形协调P1、P2集中力作用下两个横向加强筋的挠度，结果见表10。

表10 集中载荷作用下的挠度

2.2.5腹板弯曲应力计算

将所选区域分成6部分，以纵横加强筋为边界，本文仅计算尺寸较大的分块，如图2左侧三块腹板区域。利用牛春云厚板理论，当垂直和水平加筋件不发生变形时，腹板承受油压弯曲时，腹板最大应力fbedge出现长边中间点，板中心处的弯曲应力为fbmid，板中心处的最大挠度为δ。结果见表11。

式中，系数β1、β2、α如图7所示。

表11 垂直和水平加筋件不发生变行时腹板应力

2.2.6加筋挠曲引起的腹板弯曲应力增加计算(见表12)

纵向加强筋中心点处挠度δ_incr。

δ_incr=Deflection 1(C)+Deflection 2(C)

+Deflection 3(C)=0.27

表12 加筋挠曲引起的腹板弯曲应力增加计算

2.2.7最终腹板长边中点的最大弯曲应力(见表13)

fmid=fbmid+fbmid incremental

fedge=fbedge+fbedge incremental

表13 最终腹板长边中点的最大弯曲应力

2.3安全裕度(最佳安全裕度0≤M.S≤1)(见表14)

表14 M.S值

3 结论

民用飞机中央翼通常作为整体油箱，构成中央翼的梁结构必然会受到燃油冲击。本文以某型客机的复合材料中央翼后梁结构方案为例，详细阐述了梁结构受油压冲击的工程初算方法分析过程，解决了计算油压工况下腹板上的最大应力需要考虑的腹板和加强筋之间的变形协调问题，为中央翼梁的结构优化设计提供参考。

[1] 陶梅贞．现代飞机结构综合设计[M].西安：西北工业大学出版社，2001.

[2] 牛春匀，著.实用飞机结构应力分析及尺寸设计[M].冯振宇，译.北京：航空工业出版社，2009.

Engineering Calculation of Oil Striking for the After Spar in Central Wing Box

Based on the structure of the after spar in central wing, this article expounds the engineering analysis procedure of the oil stricking in the structure of the after spar from the inputing conditions，stress analysis and calculation method. This paper aims to provide the ideas and reference for the subsequent related structures engineering analysis.

civil aircraft; the central wing;after spar; oil stricking; engineering analysis

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.02.008

V224

A

董晓莉 女，本科，工程师，主要研究方向：复合材料结构设计，民机外翼结构设计；E-mail:dong.xiaoli@sacc.com.cn

方采文 女，本科，高级工程师。主要研究方向：复合材料结构设计，民机外翼结构设计；E-mail:fang.caiwen@sacc.com.cn