張曉剛

【摘 要】民用飛機貨艙快速泄壓裝置是對飛機增壓艙發(fā)生突然泄壓情況下的一種安全保障，其能夠防止飛機上不同密閉區(qū)域之間產(chǎn)生過大的壓差，避免結(jié)構(gòu)損壞。本文通過對一種柔性結(jié)構(gòu)泄壓裝置進行有限元分析，探索泄壓裝置在不同安裝預(yù)緊力下打開的臨界壓力值，從而為貨艙泄壓裝置的設(shè)計提供參考。

【關(guān)鍵詞】貨艙；泄壓；有限元分析

0 前言

民用飛機貨艙應(yīng)急泄壓是飛機內(nèi)飾結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮的一個問題，其在適航要求中也有具體條款，CCAR25.365（e）。在飛機結(jié)構(gòu)及貨艙結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮機體結(jié)構(gòu)在突然出現(xiàn)泄壓的情況下，貨艙及貨艙與機體結(jié)構(gòu)直接的空腔應(yīng)能保證結(jié)構(gòu)整體安全。若要考慮突然泄壓后由貨艙內(nèi)飾結(jié)構(gòu)承擔(dān)泄壓后的載荷，則貨艙結(jié)構(gòu)需設(shè)計較強從而增加飛機重量，為了保證貨艙結(jié)構(gòu)安全且能減輕重量，故需要在貨艙增加快速泄壓裝置。從而滿足CCAR25.365（e）條款的要求。

貨艙泄壓板的作用為：在發(fā)生結(jié)構(gòu)破洞時防止貨艙與三角區(qū)之間壓差載荷達到結(jié)所能承受的上限值。

本文基于以上考慮，采用有限元非線性逐步加載的方式，分析計算了快速泄壓板在隨著載荷增大的過程中多長時間能打開，從而減小貨艙結(jié)構(gòu)的載荷。對不同預(yù)緊力對泄壓裝置的打開時間影響進行了分析，為后續(xù)泄壓裝置的安裝、調(diào)整提供了參考。

1 泄壓裝置結(jié)構(gòu)

初始設(shè)計泄壓裝置為柔性抽出結(jié)構(gòu)，如圖1所示。此裝置的工作原理為：板載壓力作用下從壓條抽出，完成泄壓功能。壓條由螺栓固定在貨艙結(jié)構(gòu)上。

圖1 泄壓裝置結(jié)構(gòu)

2 有限元模型建立

根據(jù)結(jié)構(gòu)模型建立有限元模型，模型四周固支，壓差載荷逐步加載到圖1中紅色區(qū)域內(nèi)，螺栓預(yù)緊力預(yù)先加載在各螺栓上。有限元模型如圖2所示。

圖2 泄壓裝置有限元模型

3 有限元分析結(jié)果

計算分兩步，第一步隱式計算螺栓預(yù)緊力，分別計算50N，100N，150N螺栓預(yù)緊力下的壓緊情況及結(jié)構(gòu)周邊應(yīng)力；第二步顯式計算增壓過程中泄壓板的一個變化過程，此計算步保持了隱式計算中預(yù)緊力計算結(jié)果。此兩步計算能較真實的模擬泄壓板在增壓過程中的動態(tài)變化情況及周邊結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化過程。

3.1 取螺栓預(yù)緊力50N，摩擦系數(shù)0.26，則初始螺栓預(yù)緊力分布15.44MPa，顯示計算沖開時間為0.004s，此時增壓為0.02MPa，如圖3所示。

圖3 預(yù)緊力為50N時的結(jié)果

3.2 取預(yù)緊力100N，摩擦系數(shù)0.26，則初始螺栓預(yù)緊力分布29.8MPa，沖開時間為0.012s，此時增壓為0.06MPa，如圖4所示。

圖4 預(yù)緊力為100N時的結(jié)果

3.3 預(yù)緊力150N，摩擦系數(shù)0.26，則初始螺栓預(yù)緊力分布46.28Mpa，沖開時間為0.014s，此時增壓為0.07MPa，如圖5所示。

綜上3種不同預(yù)緊力情況下的泄壓板打開的臨界壓力，可以看出在摩擦系數(shù)相同的情況下，臨界壓力隨預(yù)緊力的增大而增大，但隨著預(yù)緊力的增大，臨界壓力增加逐漸變小并趨近于某一值。

4 結(jié)論

本文通過對一種民用飛機貨艙快速泄壓裝置在不同預(yù)緊力作用下，逐步尋找柔性泄壓板抽出的臨界壓力值，找出預(yù)緊力與泄壓臨界值的關(guān)系從而為貨艙泄壓裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計、螺栓預(yù)緊力的選擇等提供參考。

【參考文獻】

[1]牛春勻.實用飛機結(jié)構(gòu)工程設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2008.

[2]Erdogan F，Wu BH. The Surface Crack Problem for a Plate with Functionally Graded Properties[J].ASME Journal of Applied Mechangics，1997，64：449-456.

[3]Zienkiewicz OC，Taylor RL.The finite element method，Vol.1：The basis[M]. The fifth edition.Butterworth-Heinemann，2000.

[責(zé)任編輯：張濤]