民航客机后压力框球皮结构设计技术及分析

罗腾腾

【摘 要】后压力框球皮结构是飞机非常重要的结构部件，主要承受客机身的气密载荷。本文详细分析了后压力框结构的设计要求，研究了球皮结构半径计算分析以及球皮结构的加筋方式，并最终对该结构形式进行了数值分析，发现球皮结构位移和应变均符合设计要求。

【关键词】后压力框；加筋；数值分析；球皮结构

0 引言

后压力框球皮结构主要承受飞机客舱内的气密载荷，是机身内部一个封闭式的气密结构，是机身中重要的耐疲劳承力结构，疲劳问题需要重点考虑。

1 国内外发展现状

后压力框球皮结构一般为柔性的，早期一般普遍使用金属结构，随着复合材料技术的发展，现在的主流机型基本上使用复材球皮结构，一是大大的减轻了球皮结构重量，二是降低了装配工作量、提高了生产效率，现在国外大型客机后压力框球皮结构应用复合材料的机型有A340、A380、B787、A350等。A340后压力框球皮结构采用碳纤维预浸料和泡沫夹心通过热压罐工艺一次固化成型；A350后压力框球皮结构采用NCF布和泡沫夹心通过VAP工艺一次固化成型；A380球皮结构的材料为碳纤维环氧树脂基复合材料面板和泡沫夹心加筋，利用了树脂膜熔浸成形（RFI）工艺和热压罐二次固化成型工艺；B787 后压力框使用中等模量碳纤维，利用真空辅助液体成型工艺VARTM（Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding）成型。C919飞机也采用了先进的设计理念和生产工艺，在球皮结构上使用了复合材料。

2 后压力框球皮结构设计要求

后压力框球皮结构需满足以下设计要求：

a）后压力框球皮结构需满足机身气密载荷，包括限制增压载荷、极限增压载荷、限制负压载荷、极限负压载荷，还应满足AC20-107B关于疲劳及损伤容限的要求及冲击条件下的气密要求。

b）后压力框的球皮结构如果为复材，其材料的选取要满足25.853适航条款中关于客舱内部设施材料阻燃的要求。

3 后压力框球皮结构设计

后压力框球皮结构一般由球皮和加筋条组成，球皮为薄壁结构，其中加筋条有径向加筋、环向加筋和格栅加筋等三种方式，目前民用客机后压力框球皮结构普遍应用的是径向加筋方式——泡沫加筋。

3.1 球皮半径计算分析

理想的球皮外形是一个规则球面，在机身舱内增压载荷作用下，球皮表面产生张力、无应力集中出现，此时球皮结构具有较好的抗疲劳性能。大多数情况下飞机后压力框站的机身横截面并不是正圆（一般情况下是由两个及两个以上的圆组成）。大多数情况下，为了简化球皮结构的设计，采取了后压力框球皮结构内接方案，球皮的理论外形为正球冠设计（空客比较偏好这种方案）；也可以调整好后压力框站位的机身截面形状，并对球皮外形进行修形，获得一个光滑的、曲率变化相对较小、受力均匀的球皮外形，B787采取此类设计方法。

对后压力框站位附近的机身结构进行简化分析，如下图1所示。其中，绿色虚线为机身理论外形，AB绿色实线为后压力框站位的机身截面高度H，粉红色圆弧线为球皮外形（此处假设为正球冠，球冠高度为h1），那么球冠半径R的计算公式为：

R2=（R-h1）2+（H/2）2

求解公式，得半径R=[（H/2）2+h12]/2h1

一般情况下，球冠高度h1的设定基本与飞机结构维修性有关，在满足维修性的前提下，增加球冠高度可获得较好的受力特性（会付出重量代价）。根据机身的骨架模型设计和总体布置，球冠高度h1一般取一个框距左右，机身截面高度H一般与总体布置模型相关（此处是固定值）。

3.2 球皮加筋设计

由于球皮结构格栅加筋具有较好的损伤容限特性，在负压作用下具有较好的稳定特性，因此对球皮采取格栅加筋形式。飞机垂向Y和横向Z分别为球皮結构的0°和90°方向，该两个方向上的加筋正好弥补了该区域曲率变化大引起的结构性能下降，如下图2所示，径向加筋分布（辐状黄色粗线）左右对称，让球皮加筋结构达到均衡分布。由于在±45°方向布置了NCF布的材料主方向，故±45°的加筋结构要尽可能的长、参与更多的径向传力、使结构效率最高，综合考虑每个球皮格子的受力大小，该加筋可适当缩减一个环向格子距离以满足球皮结构稳定性和重量两方面的需求。

3.3 球皮受力分析

设定球皮铺层为[（±45），（0/90），（±45）]s，环向加筋加筋和径向加筋宽度均为60mm，加筋铺层[（±45），0，（0/90），0，（±45），0]s，基本使用6层单向带，使用VARI液体成型工艺，碳纤维体积占比为56%，误差±2%，应用材料NCF织物拉伸模量≥240Gpa，EP2400环氧树脂CSAI>200MPa@30J。

后压力框结构的主要载荷：限制增压载荷82KPa、极限增压载荷124KPa、限制负压载荷-9KPa和极限负压载荷-14KPa，球皮结构的设计主要考虑其极限负压载荷的稳定性设计要求。对球皮结构进行有限元网格划分，均使用壳单元shell，拉伸应变最大3500με。

在极限增压载荷工况下球皮变形位移最大为7.5mm；在极限增压载荷工况下球皮应变最大为1265με；在极限增压载荷工况下格栅加筋结构应变最大为1159με。符合结构设计要求。

4 结束语

随着复合材料技术的发展，复合材料后压力框球皮结构在主流民机上均有较大程度的应用，新型研发的宽体机型基本上完全使用了复材球皮结构方案。

【参考文献】

[1]牛春匀，著.《实用飞机结构工程设计》.北京：航空工业出版社，2008，174-189.

[2]中国航空研究院编著.《复合材料结构设计手册》.航空工业出版社，2001.

[3]牛春匀，著.《实用飞机复合材料结构设计与制造》.航空工业出版社，2010.

[责任编辑：朱丽娜]endprint