破损安全设计在民用飞机襟翼运动机构中的应用

2021-07-08袁坚锋

民用飞机设计与研究 2021年4期

袁坚锋董萌陈炎

(上海飞机设计研究院，上海 201210)

0 引言

后缘襟翼是现代民用飞机提高起飞重量、缩短起降滑跑距离、提高机场适应性的关键增升装置，它能使飞机在低速飞行时保持较高的升力系数[1]。当前主流机型实现襟翼运动的机构主要有3种形式：固定铰链机构、四连杆机构和滑轨类机构[2]。富勒襟翼一般通过曲柄直线滑轨运动机构实现，通常布置在机翼下表面，包括有滑轨、滑轨连接接头、滑轮架、驱动连杆、摇臂等结构，如图1所示。A350XWB和波音787均采用先进铰链单缝襟翼[3-4]，襟翼与支臂连接的位置通常在气动载荷的合力作用点附近，驱动连杆与襟翼的连接位置一般位于襟翼的前缘，如图2所示。

图1 直线滑轨运动机构

图2 先进铰链襟翼运动机构

在现代飞机结构设计中，为了保证结构安全，主要部件大多采用损伤容限设计概念，其中破损安全设计是一个重要途径[5]。有学者指出，所有可能引起灾难性破坏的结构原则上都要按损伤容限要求进行设计[6]。彭森等[7]在研究民用飞机发动机安装节破损安全设计后指出任意一条传力路径失效后，其余结构应能承受限制载荷。

损伤容限设计是当前国际上通用的民用飞机设计原则，在损伤容限设计原则下，破损安全结构是当前民用飞机后缘襟翼运动机构的主流设计。

1 襟翼运动机构破损安全要求

1.1 破损安全结构

破损安全结构通常分为破损安全止裂结构和破损安全多传力结构[8]。破损安全止裂结构的设计思想为：在结构完全破坏前，裂纹的不稳定快速扩展停止在结构的某个连续区内的结构，其安全性依靠剩余结构的缓慢裂纹扩展和在后续的各次损伤检测中来保证。在规定的不修理使用(服役)期内，剩余未损伤结构的强度不应降低到规定的水平以下[9]。

破损安全多传力结构的设计思想为：通过设计备用结构，使得飞机结构在主传力结构失效后，载荷由备用结构承担，来保证飞机结构的安全。根据备用结构与主传力结构参与受力的先后关系，可再分为共同承力破损安全结构和等待破损安全结构。

共同承力破损安全结构是备用结构与主传力结构在飞机服役过程中同时承担载荷的形式，主传力结构失效后，由备用结构承载，来保证飞机结构安全，通常要求共同承力破损安全结构的主、副结构分别具有承受限制载荷的能力；等待破损安全是在主传力结构失效后，备用结构才开始承受载荷，通过备用结构来保证飞机结构安全[10]，等待破损安全的主结构要求具有承受极限载荷的能力，副结构要求具有承受限制载荷的能力。

1.2 襟翼运动机构破损安全结构应用场景

襟翼运动机构破损安全设计选型如图3所示。通常，等待破损安全结构较共同承载破损安全结构具有更高的安全性，但会带来重量增加的代价。等待破损安全设计宜用于可检性较差部位，如滑轨与机翼连接吊点，以实现全寿命期不需要进行分解检查的目的；对于方便检查部位，如滑轮架与襟翼连接耳片，铰链襟翼支、摇臂耳片等，适合采用共同承力破损安全结构，在保证损伤容限要求的前提下减小结构重量。

图3 襟翼运动机构破损安全设计选型

1.3 襟翼运动机构破损安全结构检查要求确定方法

1.3.1 裂纹扩展曲线

共同承力破损安全结构和等待破损安全结构的裂纹扩展曲线如图4和图5所示。图中横坐标轴为循环次数，纵坐标轴为裂纹长度，红色曲线为主结构裂纹扩展曲线，蓝色曲线为副结构裂纹扩展曲线，aip和ais分别为主、副结构裂纹的初始长度，adet为主结构裂纹的可检长度，NPF和NSF分别为主、副结构裂纹扩展到临界长度时的循环次数，np为主结构裂纹从可检长度扩展到临界长度之间的循环次数，ns为副结构裂纹从主结构裂纹达到临界长度至自身临界长度之间的循环次数。

对于共同承力破损安全结构，第1阶段主、副结构上的裂纹共同扩展，但主结构裂纹扩展速率大于副结构，当主结构裂纹扩展到临界长度(仍能承受剩余强度载荷)时认为失效。主结构失效后，副结构裂纹扩展进入第2阶段，此时副结构承受全部载荷，裂纹扩展速率显著提高，直到副裂纹尺寸扩展到临界长度，此时副裂纹也应具有独自承受剩余强度载荷的能力。

等待破损安全结构的裂纹扩展曲线与共同承力破损安全结构不同，副结构的裂纹长度在第1阶段不发生变化。相对应地，主结构因承受全部载荷会具有相对较高的裂纹扩展速率，因而其裂纹从可检长度扩展到临界长度之间的循环次数np相对较少。副结构裂纹从第2阶段开始扩展，其ns相对较大，等于副结构裂纹从自身初始长度扩展到临界长度的循环次数。

图4 共同承力破损安全结构裂纹扩展示意图

图5 等待破损安全结构裂纹扩展示意图

1.3.2 检查门槛值

破损安全结构的检查门槛值为破损安全结构(通常为副结构)从初始缺陷尺寸扩展到临界裂纹长度之间的时间间隔除以分散系数，如式(1)所示：

(1)

式中：

Ith——检查门槛值；

NSF——副结构扩展到临界尺寸循环次数；

K1——检查门槛值分散系数，通常取2.0。

1.3.3 重复检查间隔

重复检查间隔取主结构裂纹达到可检长度至副结构裂纹扩展到临界长度之间的间隔除以分散系数，如式(2)所示：

(2)

式中：

Irec——重复检查间隔；

np——主结构裂纹从可检长度扩展到临界长度之间的循环次数；

ns——副结构裂纹从主结构裂纹达到临界长度至自身临界长度之间的循环次数；

K2——重复检查间隔分散系数，通常取3.0。

2 襟翼运动机构破损安全设计分类

2.1 按相对位置分类

2.1.1 同位结构

滑轨运动机构中连接襟翼和滑轮架的吊挂耳片为关键传力结构，服役期内承受很大的集中载荷。此类耳片通常设计为3层共铆结构，图6所示，外侧布置2片铝合金耳片作为主结构，中间布置1片疲劳性能更好(如钛合金或合金钢)的耳片作为副结构达到破损安全设计目的。

图6 吊挂耳片示意图

图7 滑轮架示意图

滑轨运动机构中的滑轮架同样可通过布置同位耳片的方式实现破损安全设计要求，如图7所示。该破损安全耳片为多功能结构，一方面作为滑轮架主耳片的副结构传递集中载荷，另一方面副耳片底部的破损安全“钩”可在滑轮架滚轮失效后将滑轮架固定在滑轨上防止襟翼脱开。

根据结构特点，同位结构可通过控制连接孔的理论直径和公差，实现共同承载破损安全设计或等待破损安全设计。

2.1.2 异位结构

在一些空间狭小不能实现多层式破损安全结构布置的部位，可采用异位结构实现多传力路径设计。对于异位结构，主承力结构失效后，传力路径和载荷分配将会发生变化。

滑轨根部连接区为典型破损安全异位结构，在机翼下表面和襟翼运动机构整流罩围成的小空腔中，通过布置相互垂直的两个剪切销，与相应的耳片组成2条独立传力路径，主传力路径由主剪切销和主吊挂耳片组成，副传力路径由破损安全销和破损安全耳片组成，如图8所示。

甲洛洛的一股怒气直往上窜：你这辈子除了喝酒和打老婆还干过什么像样的事，居然还来取笑我！甲洛洛心里疼快地骂着，脸上却一副哀伤的模样：老邓，你可别折磨了登子，大家都是苦命人。甲洛洛说着停下脚步，看着老邓挺着大肚子，手里一摇一晃着他的两瓶酒，头也不回的远去了，甲洛洛在他身后狠狠地吐了口唾沫：狗都不如！

图8 滑轨根部连接示意图

另一个典型部位为滑轨中部连接区，该区域包含4个连接销。滑轨通过主承力销与机翼后缘接头连接，并与滑轨根部连接区共同将襟翼滑轨固定在机翼下表面。主承力销的作用为传递襟翼全部航向载荷及部分横向载荷，并在地面停机时承受襟翼自重产生的载荷。由于襟翼滑轨表面应力水平较高且宽度有限，难以在主承力销位置设计大开口加多层式同位结构，故可设计异位结构将传力路径分离，如图9所示。主承力销前侧布置1个直径较大的连接销(破损安全销1)作为传递航向和横向载荷的副结构；两侧布置2个直径较小的连接销(破损安全销2和破损安全销3)作为传递垂向载荷的副结构，通过设计其与安装孔的间隙实现副结构载荷路径的相对独立。

图9 滑轨中部连接示意图

2.2 按结构特点分类

2.2.1 平板结构

襟翼运动机构中的破损安全结构还可按结构特点分为平板结构和铰链结构2类。对于存在较大平面的平板结构，便于共铆连接，适合将破损安全结构紧贴平面布置。典型结构为铰链襟翼支臂，由2块支撑板结构组成，其与摇臂连接耳片为传递集中载荷的关键部位，在耳片处布置破损安全耳片作为副结构，如图10所示。铰链襟翼摇臂同样为平板类结构，通过设计3层共铆结构实现破损安全要求，如图11所示。