羅騰騰 ∕

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

民航客機(jī)后壓力框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)分析與研究

羅騰騰 ∕

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

后壓力框結(jié)構(gòu)是飛機(jī)非常重要的結(jié)構(gòu)部件，主要承受客艙機(jī)身的氣密載荷。研究了大量機(jī)型后壓力框結(jié)構(gòu)形式，分解了相關(guān)設(shè)計(jì)要求，概括了相關(guān)設(shè)計(jì)方案，深入探討了該結(jié)構(gòu)部件的相關(guān)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

后壓力框；飛機(jī)；球皮結(jié)構(gòu)

0 引言

后壓力框結(jié)構(gòu)主要承受飛機(jī)客艙內(nèi)的氣密載荷，是機(jī)身內(nèi)部一個(gè)封閉式的氣密端框，承受地-空-地循環(huán)氣密載荷，是機(jī)身中重要的耐疲勞承力結(jié)構(gòu)，疲勞問題需要重點(diǎn)考慮。一般情況下，后壓力框結(jié)構(gòu)站位是飛機(jī)部段的一個(gè)重要工藝分離面，也是中后機(jī)身與后機(jī)身的機(jī)身對(duì)接面。

1 中后機(jī)身與后機(jī)身工藝分離面

由于飛機(jī)總體設(shè)計(jì)、部段生產(chǎn)裝配和部段運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)要求，以空客和波音為代表的主流飛機(jī)機(jī)型中后機(jī)身與后機(jī)身的工藝分離面均在后壓力框處(A320、A340、波音737、波音747、波音767、波音777)，以A350、A380、波音787為代表的先進(jìn)遠(yuǎn)程寬體客機(jī)工藝分離面(中后機(jī)身和后機(jī)身的機(jī)身分段)同樣也在后壓力框處，如圖1所示，它們的成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)他國(guó)研制寬體遠(yuǎn)程客機(jī)具有較好的借鑒意義。

2 后壓力框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

后壓力框結(jié)構(gòu)需滿足以下設(shè)計(jì)要求：

1)后壓力框結(jié)構(gòu)需滿足機(jī)身氣密載荷，包括限制增壓載荷、極限增壓載荷、限制負(fù)壓載荷、極限負(fù)壓載荷。

2)后壓力框的球皮結(jié)構(gòu)如果為復(fù)材，其材料的選取要滿足25.853適航條款中關(guān)于客艙內(nèi)部設(shè)施材料阻燃的要求。

3)如果后壓力框結(jié)構(gòu)與垂尾前梁結(jié)構(gòu)相互連接，那么后壓力框一共要承受三種載荷：一為突風(fēng)和偏航時(shí)垂尾安裝接頭傳來的集中拉、壓載荷和垂尾前梁腹板傳來的剪力；二為客艙的增壓及負(fù)壓載荷；三為蒙皮傳遞的機(jī)身拉壓載荷。

3 后壓力框結(jié)構(gòu)連接形式

后壓力框結(jié)構(gòu)從球皮結(jié)構(gòu)的連接形式區(qū)分為以下兩種設(shè)計(jì)方案：

1)球皮結(jié)構(gòu)通過“Y”型材零件或接頭零件直接與機(jī)身蒙皮相連接，這種連接形式稱為后壓力框球皮結(jié)構(gòu)外接方案；

2)球皮結(jié)構(gòu)通過“Y”型材零件直接與框結(jié)構(gòu)連接，再通過中后機(jī)身相關(guān)角撐結(jié)構(gòu)與機(jī)身蒙皮相連接，這種連接形式稱為后壓力框球皮結(jié)構(gòu)內(nèi)接方案。

3.1 球皮結(jié)構(gòu)內(nèi)接方案

空客飛機(jī)A320、A340、A350和A380都采取了后壓力框球皮結(jié)構(gòu)內(nèi)接方案，如圖2所示，這種連接方案?jìng)髁β窂捷^長(zhǎng)，航向傳力路徑先到“Y”型材再到“J”型框，通過中后機(jī)身角撐最后到中后機(jī)身蒙皮上，一般而言重量都較重，但是相關(guān)的球皮結(jié)構(gòu)比較好設(shè)計(jì)，很多的系統(tǒng)通過孔可以布置在高度較高的、結(jié)構(gòu)較強(qiáng)的“J”型框上，可以大幅度減少在球皮結(jié)構(gòu)上的開孔以及減輕相關(guān)開口加強(qiáng)重量，國(guó)內(nèi)相關(guān)民機(jī)的后壓力框結(jié)構(gòu)也吸取和借鑒了相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

3.2 球皮結(jié)構(gòu)外接方案

波音飛機(jī)B737、B747、B767和B777都采取了后壓力框球皮結(jié)構(gòu)外接方案，如圖3所示，這種連接方案?jìng)髁β窂捷^短，一般而言重量都較輕，但是相關(guān)的球皮結(jié)構(gòu)比較難以設(shè)計(jì)，所有的系統(tǒng)通過孔均布置在球皮結(jié)構(gòu)上，球皮結(jié)構(gòu)上的開孔數(shù)量眾多以及相關(guān)開口加強(qiáng)重量也不少。

另一種后壓力框球皮結(jié)構(gòu)外接方案如圖4所示，這種連接方案與波音的設(shè)計(jì)風(fēng)格稍有不同，波音的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是通過機(jī)身的前后對(duì)接接頭傳走球皮結(jié)構(gòu)所受氣密載荷的航向分量，而此方案是通過“Y”型材直接與機(jī)身蒙皮相連接傳走球皮結(jié)構(gòu)所受氣密載荷的航向分量。波音設(shè)計(jì)方案的“Y”型材容易成型，而此方案的“Y”型材成型難度相當(dāng)大，尤其是在機(jī)身截面不規(guī)則、曲率變化較大時(shí)。

3.3 兩種方案重量比較

以圖2和圖4兩種典型后壓力框結(jié)構(gòu)進(jìn)行重量對(duì)比分析，兩種結(jié)構(gòu)方案的重量差異主要表現(xiàn)在中后機(jī)身角撐組件(1)、鋁合金框(2)、鈦合金“Y”型材(3)和球皮(4)，如圖5紅圈位置所示。

以后壓力框站位機(jī)身直徑3 000m、框高150mm為例，其余厚度尺寸保持一致，經(jīng)初步設(shè)計(jì)和分析重要零組件重量差異見表1。

表1 后壓力框兩種方案重量對(duì)比分析 (單位：kg)

鋁合金框斜撐組件復(fù)材球皮結(jié)構(gòu)鈦合金“Y”型材緊固件內(nèi)接28．236．4528．519．51．2外接34．3033．427．60差異-6．136．45-5．1-8．11．2總計(jì)18．35

從表1可以得出內(nèi)接方案比外接重量重?？偟膩碚f，后壓力框球皮結(jié)構(gòu)內(nèi)接方案?jìng)髁β窂捷^復(fù)雜、重量較重，后壓力框球皮結(jié)構(gòu)外接方案?jìng)髁β窂胶?jiǎn)單直接、重量較輕，采取何種設(shè)計(jì)方案要統(tǒng)籌平衡各方面約束條件、綜合考慮。

4 后壓力框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般情況下，后壓力框站位是后機(jī)身與中后機(jī)身的機(jī)身對(duì)接面，后機(jī)身與中后機(jī)身的蒙皮是斷開、不連續(xù)的，無(wú)論后壓力框采取后壓力框球皮結(jié)構(gòu)內(nèi)接方案還是后壓力框球皮結(jié)構(gòu)外接方案，后壓力框結(jié)構(gòu)均是由框、“Y”型材和球皮結(jié)構(gòu)組成，都包括“Y”型材、接頭、框(或由外緣條和內(nèi)緣條共同組成)和球皮結(jié)構(gòu)。

4.1 “Y”型材

“ Y”型材主要承受疲勞載荷，一般而言，“Y”型材使用抗疲勞性能較好的鈦合金材料。其中在圖4球皮結(jié)構(gòu)外接方案2中，球皮結(jié)構(gòu)與機(jī)身理論外形的夾角θ(也就是“Y”型材的夾角θ)是后壓力框結(jié)構(gòu)重要的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)要素，球皮結(jié)構(gòu)與“Y”型材的連接需要一定的安裝空間，后機(jī)身蒙皮與“Y”型材的連接也需要一定安裝空間，理論上來說，“Y”型材夾角θ為45°最佳，“Y”型材上下兩側(cè)的安裝空間均同時(shí)考慮到了，但是也與球皮理論外形設(shè)計(jì)、厚度、安裝位置有關(guān)。在重量增加最小的情況，后壓力框設(shè)計(jì)中“Y”型材夾角θ實(shí)際上會(huì)做一定的調(diào)整。

相反，在后壓力框球皮結(jié)構(gòu)內(nèi)接方案中，由于“J”型框高度較高，安裝空間不存在任何問題，“Y”型材夾角θ的設(shè)計(jì)反而顯得沒有那么重要。

4.2 接頭

由于中后機(jī)身蒙皮與后機(jī)身蒙皮在后壓力框站位處斷開、不連續(xù)，那么各自的長(zhǎng)桁也在此處斷開，為保證長(zhǎng)桁航向上的傳力連續(xù)性，因此，設(shè)計(jì)了連接長(zhǎng)桁端頭的接頭，以保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)在后壓力框站位處的航向傳力性能。接頭一般是鈦合金材料的機(jī)加件。

4.3 框

框有3種形式：(1)由整體機(jī)加的鋁合金框組成；(2)由鋁合金型材鈑彎零件內(nèi)外緣條組成；(3)由“Y”型材零件以外緣條形式參與組成(波音787)。

4.4 球皮結(jié)構(gòu)

理想的球皮外形是一個(gè)規(guī)則球面，在機(jī)身艙內(nèi)增壓載荷作用下，球皮表面產(chǎn)生張力、無(wú)應(yīng)力集中出現(xiàn)，此時(shí)球皮結(jié)構(gòu)具有較好的抗疲勞性能。然而，大多數(shù)情況下飛機(jī)后壓力框站位的機(jī)身橫截面并不是正圓(一般情況下是由兩個(gè)及兩個(gè)以上的圓組成)。所以，空客為了簡(jiǎn)化球皮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采取了后壓力框球皮結(jié)構(gòu)內(nèi)接方案，球皮的理論外形為正球冠設(shè)計(jì)；此外，也可以調(diào)整好后壓力框站位的機(jī)身截面形狀，并對(duì)球皮外形進(jìn)行修形，獲得一個(gè)光滑的、曲率變化相對(duì)較小、受力均勻的球皮外形。

球皮在內(nèi)壓作用下，其環(huán)向應(yīng)力、經(jīng)向應(yīng)力沿厚度均勻分布，且遠(yuǎn)小于膜應(yīng)力，可忽略不計(jì)，在此基礎(chǔ)上把球皮當(dāng)作薄膜處理。在內(nèi)壓作用下，球皮滿足經(jīng)典薄板和薄殼理論，如圖6所示。根據(jù)薄殼理論：

(1)

其中P為球皮壓力，R為球皮半徑，t為球皮厚度。

根據(jù)式(1)，可以推算出球皮最小厚度

t=PR/2 [Nθ]。

(2)

球皮結(jié)構(gòu)前期一般普遍使用金屬結(jié)構(gòu)，隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的主流機(jī)型基本上使用復(fù)材球皮結(jié)構(gòu)，一是減輕了球皮結(jié)構(gòu)重量，二是降低了裝配工作量、提高了生產(chǎn)效率，現(xiàn)在國(guó)外大型客機(jī)后壓力框球皮結(jié)構(gòu)應(yīng)用復(fù)合材料的機(jī)型有A340、A380、波音787、A350等。其中，A340后壓力框球皮結(jié)構(gòu)采用碳纖維預(yù)浸料和泡沫夾心通過熱壓罐工藝一次固化成型；A350后壓力框球皮結(jié)構(gòu)采用無(wú)褶皺織物(non-crimp fabric，簡(jiǎn)稱NCF)和泡沫夾心通過真空輔助液體成型工藝(VAP)一次固化成型；A380球皮結(jié)構(gòu)的材料為碳纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料面板和聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫夾心加筋，利用了樹脂膜熔浸成形(RFI)工藝和熱壓罐二次固化成型工藝；波音787 后壓力框使用中等模量碳纖維，利用真空輔助液體成型工藝VARTM(Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding，簡(jiǎn)稱VARTM)成型。國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的大型客機(jī)也采用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和生產(chǎn)工藝，在球皮結(jié)構(gòu)上使用了復(fù)合材料。

5 結(jié)論

隨著復(fù)合材料技術(shù)的逐步發(fā)展，復(fù)合材料后壓力框球皮結(jié)構(gòu)在主流民用飛機(jī)上均有較大程度的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外最新機(jī)型基本上完全使用了復(fù)合材料球皮結(jié)構(gòu)方案，這是新的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用領(lǐng)域，在后壓力框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有著較好的探索和研究意義。

[1] 牛春勻.實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)[M].北京:航空工業(yè)出版社，2008:174-189.

[2] 中國(guó)航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[3] 牛春勻.實(shí)用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造[M].北京：航空工業(yè)出版社，2010.

Analysis and Research on the Rear Pressure Bulkhead Design for Civil Aircraft

LUO Tengteng

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

Rear pressure bulkhead (shortened form is RPB) is very important component of aircraft structures and withstand the cabin pressure load. This paper researches a great number of RPB structure, analyzes the design requirements related to the aircraft’s RPB. The RPB structure design was summarized. The design features and development trend about RPB structure were discussed.

rear pressure bulkhead(RPB)； aircraft； dome structure

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.01.015

V223

A