某型飛機(jī)垂尾前緣抗鳥(niǎo)撞減重設(shè)計(jì)

摘 要：在滿(mǎn)足抗鳥(niǎo)撞要求的基礎(chǔ)上，對(duì)某型飛機(jī)垂尾前緣進(jìn)行減重優(yōu)化，將部分鋁合金材料替換為碳纖維復(fù)合材料，減重明顯。

關(guān)鍵詞：垂尾；碳纖維；復(fù)合材料；飛機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：V221 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.128

近年來(lái)，世界各國(guó)強(qiáng)調(diào)了生態(tài)環(huán)境保護(hù)，導(dǎo)致飛機(jī)在低空高速飛行時(shí)極易發(fā)生與大鳥(niǎo)相撞事故。1976-03—1986-03，美國(guó)空軍飛機(jī)就發(fā)生鳥(niǎo)撞飛機(jī)風(fēng)擋事故2 721次，其中，109次座艙玻璃被擊穿。1962年一架“子爵”號(hào)飛機(jī)與一只7 kg的大鳥(niǎo)相撞造成空難事故，機(jī)上17人全部喪生。因此，現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)成具有抗鳥(niǎo)撞能力。垂尾前緣是飛機(jī)鳥(niǎo)撞的危險(xiǎn)區(qū)域，直接影響飛機(jī)飛行安全，對(duì)飛機(jī)垂尾前緣進(jìn)行抗鳥(niǎo)撞分析是十分必要的。同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于大型客機(jī)而言，減重的要求不斷提高，這可以極大降低飛機(jī)的成本。強(qiáng)度、剛度高的復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的大量應(yīng)用，為飛機(jī)的減重作出了巨大貢獻(xiàn)。波音公司的B787飛機(jī)、空客公司的A350飛機(jī)復(fù)合材料減用量都達(dá)到了50%.復(fù)合材料在飛機(jī)上的用量和應(yīng)用部位已經(jīng)成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。本文著重研究了在滿(mǎn)足抗鳥(niǎo)撞的要求下，將垂尾前緣部分鋁合金材料替換為先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)垂尾前緣的減重設(shè)計(jì)。

1 理論分析

在新型飛機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的抗鳥(niǎo)撞能力必須取得有試驗(yàn)依據(jù)的分析和驗(yàn)證。但試驗(yàn)驗(yàn)證成本高、周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)初期可以通過(guò)數(shù)值模擬或經(jīng)驗(yàn)公式輔助設(shè)計(jì)。鳥(niǎo)撞時(shí)的載荷通常由試驗(yàn)支持的經(jīng)驗(yàn)公式求出。除動(dòng)力響應(yīng)分析方法外，還有能量法，動(dòng)力響應(yīng)分析方法。本文采用能量法從能量的角度考慮鳥(niǎo)撞擠時(shí)穿透蒙皮和腹板需要多少動(dòng)能，以及鳥(niǎo)的動(dòng)能是否大于穿透蒙皮和腹板所需動(dòng)能。

對(duì)于前緣蒙皮吸收的能量，分為以下3種。

2 減重優(yōu)化

為了減少垂尾前緣的質(zhì)量，將鳥(niǎo)撞對(duì)前緣蒙皮產(chǎn)生破壞較小的部分用CFRP材料來(lái)代替金屬材料。在實(shí)際鳥(niǎo)撞過(guò)程中，鳥(niǎo)的速度可以分解為法線(xiàn)方向和切線(xiàn)方向，如圖1所示， 前緣蒙皮部分只吸收法線(xiàn)方向速度產(chǎn)生的能量，稱(chēng)為有效動(dòng)能。本文中將a點(diǎn)到b點(diǎn)之間的蒙皮外輪廓分為15等份，分別命名為Point1～Point16，其中點(diǎn)b為前緣外輪廓對(duì)飛機(jī)縱軸傾斜15°的切點(diǎn)。

計(jì)算結(jié)果表明，在Point8～Point16的部位，鳥(niǎo)撞的有效動(dòng)能已經(jīng)很小，如圖2所示，所以在Point8之后的前緣蒙皮的材料可以換成重量較輕的CFRP材料，其厚度為1.5 mm。

當(dāng)Point8～Point16的蒙皮換成CFRP材料后，重新計(jì)算此部分吸收的能量。計(jì)算結(jié)果表明，如圖3所示，在Point12～Point16間的蒙皮吸收的能量大于鳥(niǎo)撞的有效能量，所以以Point12為節(jié)點(diǎn)，Point1～Point12之間的蒙皮用金屬材料，Point12～Point16之間的蒙皮可以換成CFRP材料。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)垂尾前緣的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)的27%的鋁合金蒙皮可以替換為比強(qiáng)度高的碳纖維復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)減重15%.文中的減重優(yōu)化方法適用于大部分飛機(jī)抗鳥(niǎo)撞部件，可為其他部件的減重提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]李娜，吳志斌，孔令勇，等.某型飛機(jī)平尾前緣抗鳥(niǎo)撞優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2014，34（05）.

作者簡(jiǎn)介：楊敏超（1984—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)榱W(xué)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

〔編輯：張思楠〕