樊欣迪，齊國芳

(1.中航飛機股份有限公司西飛設計院 結(jié)構(gòu)強度所，西安 710089；2.中航飛機股份有限公司蒙皮成形廠 技術(shù)室蒙皮工藝組，西安 710089)

0 引言

航空類天線罩是功能性復合材料結(jié)構(gòu)件，保護天線系統(tǒng)免受外部環(huán)境影響。航空類天線罩在電氣性能上具有良好的電磁波穿透特性，在機械性能上能經(jīng)受外部惡劣環(huán)境，同時減輕天線系統(tǒng)的磨損、腐蝕和老化，延長使用壽命。

在傳統(tǒng)的天線罩結(jié)構(gòu)設計中，維護口蓋與天線罩的結(jié)構(gòu)是相互獨立的，使結(jié)構(gòu)的日常維護和維修工作量大，而且生產(chǎn)裝配裝配也更加復雜。本文通過設計改裝，將維護口蓋與測向天線罩進行一體化設計，既保證了測向天線罩的加裝要求，又保證了其具有可快速拆卸檢修和更換的要求，結(jié)構(gòu)輕巧可靠且易施工。

1 結(jié)構(gòu)概述

飛機發(fā)動機短艙位于機身兩側(cè)機翼根部，主體結(jié)構(gòu)由發(fā)動機短艙前段、發(fā)動機短艙中段、進氣道、發(fā)動機短艙中后段等組成，用于發(fā)動機引氣、整流、尾噴氣體的導流以及對發(fā)動機的保護，選用的主要材料是鋁合金。

進氣口前緣由蒙皮、波紋板、盒形件、隔框、隔板等組成。蒙皮、盒形件、波紋板和隔框均由不銹鋼0Cr18Ni9制造，其余零件均為硬鋁零件，整個結(jié)構(gòu)為鉚接結(jié)構(gòu)。進氣口前緣為可卸結(jié)構(gòu)，外部用托板螺母固定在短艙前段的骨架上，內(nèi)部用螺栓固定在法蘭盤上，前緣的作用是捕獲氣流，并使捕獲的氣流以層流狀態(tài)進入進氣道。

按照飛機加裝測向天線的要求，需要將兩個測向天線對稱安裝在左、右發(fā)動機短艙前段進氣唇口外側(cè)。為滿足天線加裝的需要，對現(xiàn)有發(fā)動機短艙前段(唇口)結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、全新設計復合材料天線罩并進行結(jié)構(gòu)加強設計。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 位置選擇

根據(jù)《實用飛機結(jié)構(gòu)設計》[1]第5章以及《飛機設計手冊》第10冊[2]第26章可知此次改裝測向天線有如下要求：

一是安裝位置要求，測向天線安裝平面垂直法線與飛機順航向夾角“45°±1°”；安裝后的上沿與飛機構(gòu)造水平面平行；

二是天線波束不受發(fā)動機唇口反射影響，機上安裝需保證天線陣面延展面在發(fā)動機唇口前側(cè)；

三是前方范圍內(nèi)不能有金屬物遮擋；

四是根據(jù)天線高度，使安裝天線時底部與蒙皮不產(chǎn)生干涉。

測向天線安裝位置范圍如圖1所示。發(fā)動機短艙前段4長桁軸線與5長桁軸線之間，外形較為平緩，前方范圍內(nèi)沒有金屬物遮擋，天線波束不受發(fā)動機唇口反射影響測向性能，滿足測向天線對位置的需求。

2.2 改裝方案

為滿足測向天線罩的安裝，同時考慮連接本體結(jié)構(gòu)的布局形式，施工工藝性及維護性，初步考慮以下兩種方案：

2.2.1 方案一

將測向天線罩外形向內(nèi)增厚曲面，確定測向天線罩位置，在口蓋上開出測向天線設備通過孔，用托板螺母將測向天線罩與蒙皮進行搭接，方案一示意圖如圖2所示。該方案連接區(qū)覆蓋于維護口蓋之上，帶來了維護口蓋的使用不便，使得改裝工序繁瑣，維修性較差，同時內(nèi)部空間緊張，導致不易在骨架內(nèi)部進行結(jié)構(gòu)加強，測向天線罩連接強度較弱。

2.2.2 方案二

將測向天線罩外形向內(nèi)增厚曲面，確定測向天線罩位置，并增加裝配邊緣，取消原維護口蓋，將原蒙皮按測向天線罩外形切口，新增加強型材若干，通過托板螺母與進氣口骨架連接，方案二示意圖如圖3所示。該方案不僅滿足了原有口蓋結(jié)構(gòu)的維護性，同時將維護口蓋與測向天線罩制成一體后，改裝的開敞性較好，便于結(jié)構(gòu)連接區(qū)的加強及測向天線的安裝，更好的滿足了強度要求。結(jié)合上述方案對比分析，最終選定方案二。

圖2 方案一示意圖

圖3方案二示意圖

2.3 測向天線罩結(jié)構(gòu)設計

2.3.1 材料選擇

由于測向天線罩有透波需求，需良好的透過不同角度入射的電磁波。在低頻電場的直接作用下，金屬為導體，非金屬材料屬絕緣體。當材料處于高頻電場時，絕緣體變?yōu)楦哳l電場的透過材料，而金屬會成為電磁波的屏蔽材料。因此測向天線罩不能選擇使用金屬材料，而需要選擇具有絕緣性的復合材料。

航空中常用復合材料有碳纖維和玻璃鋼兩種。碳纖維是由有機纖維經(jīng)過一系列熱處理轉(zhuǎn)化而成，含碳量高于90%的無機高性能纖維具有導電、導熱、高強度、耐高溫、耐摩擦及耐腐蝕性；玻璃鋼，即纖維強化塑料，具有外形美觀、電性能好(微波透過性良好)、輕質(zhì)高強、耐腐蝕、熱性能良好、可設計性好、工藝性優(yōu)良、加工運輸及安裝方便、電絕緣性佳、透波性強、防紫外線、抗沖擊，在高溫、低寒等惡劣環(huán)境中依然性能良好等。故該復合材料天線罩采用玻璃鋼及其復合夾層結(jié)構(gòu)制造，將其作為測向天線最外圍的保護罩，該復合材料天線罩發(fā)揮了其獨特的電性能、質(zhì)輕等優(yōu)勢，大大提高了測向天線的優(yōu)良物性。

根據(jù)《復合材料結(jié)構(gòu)設計手冊》[3]4.5節(jié)鋪層設計以及《復合材料手冊(第3卷)》[4]2.2.3節(jié)鋪層順序可知鋪層設計原則有以下方面：

(1)層壓板外表面選用±45°鋪層時，穩(wěn)定性、耐沖擊性及連接性能都較其他鋪層方向好；

(2)結(jié)構(gòu)應盡量采用對稱鋪層，并均衡鋪貼，以減少固化變形；

(3)從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、減少泊松比和熱應力及避免樹脂直接受載考慮，建議一個構(gòu)件中應同時包含4種鋪層，如在0°、±45°的層壓板中必須有6～10%的90°鋪層；

(4)對于由0°、90°和±45°鋪層組成的結(jié)構(gòu)，上述任一鋪層角的鋪層，其最小鋪層百分比一般不小于6%；

(5)避免使用同一方向的鋪層組，如果使用，不得多于4層；避免使用90°的鋪層組；

(6)相鄰鋪層間夾角一般不大于60°；

(7)在集中力擴散部位應進行局部加強，除在主應力方向配置足夠的鋪層外，還應配置一定數(shù)量與主應力方向成±45°的鋪層，以利于內(nèi)力擴散；

(8)應按照受力情況和剛度要求設計鋪層，鋪層的纖維軸線應盡量與內(nèi)力的拉、壓方向一致，剪切(扭轉(zhuǎn))主要由±45°鋪層承受；

(9)當設計直接與鋁合金或合金鋼接觸的碳纖維構(gòu)件時，其表面應布置玻璃布層，以避免電偶腐蝕。

根據(jù)以上分析，測向天線罩擬采用玻璃鋼層合板構(gòu)成的雙曲面殼體，鋪層材料為XMS1113型III類1581型A級，單層厚度為δ0.25，共鋪8層，總厚度為δ2，鋪層方向為：[+45°/0°/-45°/90°]s。測向天線罩鋪層表如表1所示。

經(jīng)有限元分析，該復合材料天線罩滿足結(jié)構(gòu)強度要求。具體計算過程見2.4強度校核及疲勞強度分析。

對去細胞處理后保存有神經(jīng)基底膜管的實驗組大鼠股神經(jīng)皮支和肌支行拉曼光譜分析，顯示股神經(jīng)皮支和肌支波峰出現(xiàn)位置無差異，主要含有脂類和蛋白質(zhì)及微量核酸（見圖6）。

表1 測向天線罩鋪層表

2.3.2 結(jié)構(gòu)連接及加強設計

原結(jié)構(gòu)為維護口蓋，具有維修性和可更換功能。故考慮到結(jié)構(gòu)的維修性和可達性，復合材料天線罩應為可卸結(jié)構(gòu)，并具備可快速拆卸檢修、更換功能，因此，設計托板螺母將天線罩與骨架結(jié)構(gòu)連接完成復合材料天線罩與唇口的連接。

圖4測向天線罩結(jié)構(gòu)改裝示意圖

由于原結(jié)構(gòu)天線罩為水滴形、中空，中間處無法與骨架進行連接，如果直接將其與骨架相連，則只能與四周型材進行相連，連接點過少且強度較弱，飛行時測向天線罩可能會在連接處撕裂。因此在原結(jié)構(gòu)處增加加強型材，測向天線罩與加強型材通過托板螺母連接，實現(xiàn)可卸需求。測向天線罩結(jié)構(gòu)改裝示意圖如圖4所示。

2.4 強度校核及疲勞強度分析

對上述結(jié)構(gòu)改裝方案用有限元分析方法進行強度分析。具體如下：

根據(jù)不同飛行姿態(tài)，共選取了3種不同載荷工況進行分析，各飛行工況參數(shù)如表2所示，計算時取安全系數(shù)1.5。

表2 飛行工況參數(shù)

2.4.1 有限元計算模型

建立測向天線罩及其安裝結(jié)構(gòu)的有限元模型。建模時將測向天線罩簡化為板單元，將連接型材簡化為桿單元，測向天線罩有限元模型如圖5所示。由于測向天線質(zhì)量較小，測向天線的慣性載荷遠小于測向天線罩上的氣動載荷，計算時忽略了測向天線的慣性載荷，將測向天線罩的氣動載荷施加測向天線罩上，將測向天線罩有限元模型連接到發(fā)動機短艙上，在發(fā)動機短艙遠端約束并進行計算。

2.4.2 分析結(jié)果

縱向拉伸強度：Xt=223.0 MPa；縱向壓縮強度：Xc=186.8 MPa；橫向拉伸強度：Yt=184.8 MPa；橫向壓縮強度：Yt=114.7 MPa；縱橫剪切強度：S=28.8 MPa。

針對復合材料層合結(jié)構(gòu)，參考《飛機設計手冊》第9冊[5]29.4.1.3節(jié)，采用蔡-胡失效準則進行強度校核，其強度比方程為：

上述公式中的參數(shù)為：

圖6測向天線罩應力云圖

根據(jù)單元的應力值求解強度比方程，方程的根取正值，即為單元剩余強度系數(shù)η。

根據(jù)有限元計算結(jié)果，測向天線罩部分受力嚴重單元計算應力及剩余強度系數(shù)如表3所示；嚴重工況下，測向天線罩應力云圖如圖6所示。

根據(jù)單元的應力值求解強度比方程，方程的根取正值，即為單元剩余強度系數(shù)η。

表3 測向天線罩部分受力嚴重單元計算應力及剩余強度系數(shù)

續(xù)表3

單元層號σ1σ2τ12η工況117928-6.0-0.94.95.611179780.7-3.94.95.611290422.33.4-5.35.61117768-1.13.55.15.711177370.40.4-5.15.71117968-3.3-3.84.56.01

由表3數(shù)據(jù)可以看出，單元11661(工況1)受載最嚴重，其剩余強度系數(shù)η=4.1。

2.4.3 連接螺釘強度分析

螺釘材料為ML25，規(guī)格為M5×12，強度極限σb=515 MPa。測向天線罩前部受載嚴重，天線罩前部節(jié)點計算結(jié)果如表4所示，表中Px、Py、Pz分別為節(jié)點在三個方向上的受力。

表4 天線罩前部節(jié)點計算結(jié)果

采用第四強度理論進行強度校核：

螺釘拉應力為：

螺釘剪應力為：

螺釘綜合應力為：

剩余強度系數(shù)為：

2.4.4 孔擠壓強度分析

螺釘連接處測向天線罩玻璃鋼厚度t=2 mm，釘孔直徑d=5 mm，玻璃鋼擠壓強度取預浸布的橫向壓縮強度：σb=209.0 MPa。由以上可知，螺釘所受最大剪力為129 N(工況1)，故孔邊擠壓應力為：

則剩余強度系數(shù)為：

2.4.5 疲勞強度分析

根據(jù)《飛機設計手冊》第9冊[5]29.8.3節(jié)內(nèi)容可知，在復合材料設計中，按照“靜力覆蓋疲勞”設計原則進行結(jié)構(gòu)設計，因而復合材料測向天線罩在滿足靜強度設計要求的前提下，滿足疲勞壽命要求。

根據(jù)《螺栓和耳片強度分析手冊》可知，螺栓螺紋終止面處的應力集中系數(shù)為2.4，螺栓螺紋根部圓角處的應力集中系數(shù)取2.6。因此評估疲勞強度時，應力集中系數(shù)保守取值3。

根據(jù)《工程材料實用手冊》第1冊可知，ML25號鋼在Kt=1，R=-1時的疲勞極限為225.0 MPa。由6.3.1靜強度計算可知，螺釘在極限載荷下的應力水平為126.1 MPa，在疲勞載荷作用下，螺釘最大應力水平為：

將Smax1=252.2 MPa，Smax2=225.0 MPa，N2=1×107代入公式，得到N1=6.39×106，考慮6的分散系數(shù)，螺釘?shù)钠趬勖鼮?.07×106，遠大于飛機的6000次起落，即螺釘滿足使用要求。

通過以上計算、分析，測向天線罩及其連接滿足靜強度和疲勞強度設計要求，各部位最小剩余強度系數(shù)如表5所示。

表5 各部位最小剩余強度系數(shù)

3 結(jié)論

本文對飛機發(fā)動機短艙前段增加測向天線方案進行了論證，全新設計了復合材料天線罩，分析了不同載荷工況下復合材料天線罩結(jié)構(gòu)的可靠性。對復合材料天線罩安裝后發(fā)動機短艙前段唇口區(qū)域在變化的流場下進行了有限元分析。

經(jīng)驗證，本次改進結(jié)構(gòu)輕巧可靠，實現(xiàn)了改進要求，并實現(xiàn)了口蓋與天線罩一體化的設計，具有可快速拆卸檢修和更換的功能。