張 偉，趙 荃

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210)

現(xiàn)代民用飛機(jī)為了提高平尾的配平效率一般都采用全動平尾的設(shè)計。與固定平尾相比，全動平尾可以通過調(diào)節(jié)整個平尾的偏轉(zhuǎn)角達(dá)到俯仰配平效果，配平效率較高；而固定平尾則只能通過調(diào)整升降舵的偏轉(zhuǎn)角度來完成俯仰配平，配平效率比較低[1-2]。由于采用了全動平尾，機(jī)身在平尾安裝位置需要預(yù)留出結(jié)構(gòu)開口以保證平尾偏轉(zhuǎn)過程中平尾與機(jī)身相鄰結(jié)構(gòu)不會發(fā)生干涉。機(jī)身上的大開口將直接暴露內(nèi)部結(jié)構(gòu)，影響飛機(jī)氣動性能，可能會造成氣流串動，引起意想不到的后果，因此需設(shè)計相應(yīng)的整流罩對該開口進(jìn)行整流密封。

一般情況下，民用飛機(jī)平尾翼根整流罩需要滿足以下功能：1)密封良好。實現(xiàn)正常偏轉(zhuǎn)下整個開口的密封，尤其保證迎風(fēng)面密封。2)剛度較大。平尾翼根整流罩需要有足夠的剛度，保證受力后變形較小，不影響密封效果。3)安裝方便。平尾翼根整流罩屬于外部零件，在平尾與后機(jī)身裝配完成后安裝，后機(jī)身及平尾誤差積累會影響翼根整流罩的安裝及密封，因此平尾翼根整流罩在安裝時可調(diào)節(jié)，以消除誤差的影響。4)可維護(hù)性好。平尾翼根整流罩屬于運動部件，其需設(shè)計成可拆卸結(jié)構(gòu)，便于對易損件進(jìn)行定期更換[3]。

為了實現(xiàn)某型民機(jī)全動平尾在后機(jī)身大開口的密封，在分析平尾翼根整流罩功能要求并結(jié)合相關(guān)適航要求條款后，本文設(shè)計了一種整體式復(fù)合材料平尾翼根整流罩結(jié)構(gòu)，并通過試驗驗證其功能。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 構(gòu)型選擇

平尾翼根整流罩結(jié)構(gòu)屬于次承力結(jié)構(gòu)，其主要設(shè)計驅(qū)動為剛度指標(biāo)要求。典型平尾翼根整流罩構(gòu)型如圖1所示。因正常飛行狀態(tài)下，全動平尾下偏角度大于上偏角度，后機(jī)身開口大部分位于平尾下翼面處，因此單側(cè)下罩體需要覆蓋更多的開口，造成下罩體較上罩體外形更大。初步分析時，選取下罩體有效高度最大處片條作為典型分析對象，此處罩體變形最大，如圖2所示。

圖1 平尾翼根整流罩示意圖

圖2 機(jī)身開口邊界與罩體

飛機(jī)飛行過程中，氣動力以面外吸力形式作用于平尾翼根整流罩罩體表面。進(jìn)行截面剛度設(shè)計時，可以將該片條簡化為根部固支的懸臂梁結(jié)構(gòu)，同時將罩體的剛度指標(biāo)要求轉(zhuǎn)化為罩體邊緣位移約束要求。片條截面及其所受的均布?xì)鈩虞d荷如圖3所示。

圖3 典型片條懸臂梁及其受力

從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度考慮，有剛度要求的零件一般采用夾層結(jié)構(gòu)。夾層結(jié)構(gòu)主要由上下面板、芯材和膠膜(板芯膠)構(gòu)成。夾層結(jié)構(gòu)受力原理與工字梁相似，上下面板主要承受彎曲時產(chǎn)生的正應(yīng)力，相當(dāng)于工字梁的凸緣；芯材為面板提供連續(xù)的支持，主要承受剪力，相當(dāng)于工字梁的腹板。夾層結(jié)構(gòu)的這種結(jié)構(gòu)形式能最有效地利用面板和芯材材料，相對于層壓板具有更高的比剛度，典型夾層結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示[4-6]。

圖4 典型夾層結(jié)構(gòu)尺寸、受載及支持條件示意圖

芯材的彈性模量常常遠(yuǎn)小于面板的等效彈性模量，因此在計算復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的彎曲剛度時通常忽略芯材的影響。上下面板鋪層相同時，夾層結(jié)構(gòu)的彎曲剛度D可由式(1)算得[7]：

(1)

式中：Ef為面板的等效彈性模量。

剪切剛度S的計算公式如下：

S=bhGc

(2)

式中：Gc為加載方向的芯材剪切模量。

夾層結(jié)構(gòu)整體的變形量δ可參照典型梁單元，按式(3)進(jìn)行估算：

(3)

式中：Kb為彎曲變形系數(shù)；Ks為剪切變形系數(shù)；P為所受載荷。平尾翼根整流罩典型片條邊界條件可簡化為一端固支、受均布載荷的情況，則Kb取1/8，Ks取1/2。

通過控制變形量δ即可設(shè)計出滿足結(jié)構(gòu)剛度要求的夾層結(jié)構(gòu)面板厚度及芯材厚度。

1.2 密封設(shè)計

平尾翼根整流罩在平尾進(jìn)行配平運動過程中需要保持良好密封，整流罩前緣作為迎風(fēng)面，密封要求最高，可通過在平尾翼根整流罩前緣掃略區(qū)域設(shè)置一條金屬導(dǎo)流板實現(xiàn)整流罩前緣的可靠密封。導(dǎo)流板安裝在機(jī)身表面，在整流罩掃略過程中，迎風(fēng)邊緣始終包覆于擋板之下。擋板將迎風(fēng)面氣流阻擋在整流罩前緣縫隙外，氣流從整流罩體外側(cè)流過。擋板與整流罩迎風(fēng)邊緣間存在一定間隙，保證在平尾轉(zhuǎn)動過程中金屬擋板不會與翼根整流罩罩體發(fā)生干涉，如圖5所示[7]。

圖5 平尾翼根整流罩前緣密封示意圖

對其余區(qū)域采用橡膠密封件實施密封，密封件截面為中空形式。在安裝時保持一定的預(yù)壓縮量，保證罩體在受到氣動吸力作用產(chǎn)生彈性變形后密封件仍有壓縮量,以保證良好的密封效果。后期如果密封件發(fā)生磨損，可以在不拆整流罩的情況下進(jìn)行更換。圖6給出了平尾翼根整流罩邊緣密封結(jié)構(gòu)形式，位置見圖5截面B-B。

圖6 平尾翼根整流罩邊緣密封示意圖

1.3 裝配形式

平尾翼根整流罩需要安裝到平尾結(jié)構(gòu)表面，隨著平尾的配平一起運動。為了簡化裝配，平尾翼根整流罩采用整體式一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，罩體通過緊固件直接連接在平尾結(jié)構(gòu)上，無需其他零件，簡化了制造及裝配。平尾翼根整流罩與平尾的連接如圖7所示[8]，位置見圖5截面C-C。

圖7 平尾翼根整流罩與平尾緊連接示意圖

2 強(qiáng)度分析

2.1 有限元模型

在有限元計算模型建立過程中，考慮到平尾翼根整流罩受力特點，罩體夾層結(jié)構(gòu)面板可簡化為殼元，夾芯可簡化為體元。面板及夾芯材料主要性能參數(shù)見表1、表2。

表1 平尾翼根整流罩結(jié)構(gòu)面板材料主要性能

表2 平尾翼根整流罩結(jié)構(gòu)夾芯材料主要性能

考慮到平尾翼根整流罩在真實結(jié)構(gòu)中的安裝條件，有限元模型中的邊界條件除了約束連接緊固件孔周邊節(jié)點外，還需考慮平尾表面對罩體的支撐作用。因此，在有限元模型中對應(yīng)的緊固件位置通過CWELD單元連接，只賦予緊固件繞中心軸的轉(zhuǎn)動自由度。而罩體與平尾的接觸面，只約束法向自由度。翼根整流罩有限元模型及其約束條件如圖8所示。

圖8 平尾翼根整流罩有限元模型及約束條件

施加載荷時將平尾翼根整流罩在X方向分為5個剖面，每個剖面以均布載荷方式加載，保證每個剖面的壓強(qiáng)與面積的乘積等于對應(yīng)的載荷。由于每個載荷均為對應(yīng)平面的法向力，故載荷以垂直于對應(yīng)剖面的方向施加，載荷分區(qū)如圖9所示。

2.2 強(qiáng)度計算

2.2.1翼根整流罩面板及夾芯強(qiáng)度校核

翼根整流罩面板強(qiáng)度校核采用最大應(yīng)變準(zhǔn)則，其拉、壓、剪及復(fù)合應(yīng)變的校核公式[9]如下。

拉伸：

(4)

壓縮：

圖9 平尾翼根整流罩加載分區(qū)

(5)

剪切：

(6)

復(fù)合應(yīng)變：

(7)

式中：M.S.為安全裕度；[εtu]為拉伸許用應(yīng)變，με；εt_max為最大拉伸應(yīng)變，με；[εcu]為壓縮許用應(yīng)變，με；εc_max為最大壓縮應(yīng)變，με；[εsu]為剪切許用應(yīng)變，με；εs_max為最大剪切應(yīng)變，με。

經(jīng)校核，可得平尾翼根整流罩上、下罩體面板單元最小應(yīng)變裕度，見表3。

平尾翼根整流罩夾芯強(qiáng)度的校核就是計算其壓縮、拉伸及剪切強(qiáng)度，結(jié)果見表4。

表3 平尾翼根整流罩面板單元最小應(yīng)變裕度

表4 平尾翼根整流罩夾芯裕度表

2.2.2翼根整流罩剛度校核

水平安定面翼根整流罩通過緊固件和平尾連接，通過密封件和機(jī)身貼合。為保證氣動密封，要求翼根整流罩在受力后變形量[δ]<8mm。通過計算可得整流罩變形云圖(圖10)，上罩體最大變形量為4.0mm，下罩體最大變形量為7.4mm，均滿足剛度要求。

圖10 平尾翼根整流罩位移變形云圖

2.3 分析結(jié)論

平尾翼根整流罩有限元分析結(jié)果表明，在當(dāng)前載荷情況下，整流罩夾層結(jié)構(gòu)面板及夾芯滿足強(qiáng)度要求。同時上、下罩體的位移云圖表明，最大變形量滿足結(jié)構(gòu)剛度要求，可實現(xiàn)整流罩受力后的密封。

3 試驗驗證

為了驗證平尾翼根整流罩在各載荷工況下能否滿足強(qiáng)度要求，同時驗證有限元模型翼根整流罩變形量計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)計了平尾翼根整流罩靜力試驗進(jìn)行驗證。

3.1 支持與加載

依據(jù)平尾翼根外形面生產(chǎn)與整流罩連接的支持工裝，每個罩體通過8排16個M6螺栓與支撐件連接。所有支撐件均采用厚度6mm的鋼板，以保證一定的剛度，如圖11所示。

圖11 平尾翼根整流罩試驗支持工裝示意圖

平尾翼根整流罩在實際飛行過程中，所受載荷為氣動表面的吸力，試驗中采用反面加載推力來模擬正面吸力。試驗加載由3個相互獨立的氣囊來完成[10]，氣囊的布置以及壓強(qiáng)配比則是根據(jù)載荷以及加載點的位置，通過力和力矩的轉(zhuǎn)換來確定。加載系統(tǒng)由氣源(空氣壓縮存儲泵)、控制開關(guān)(氣壓顯示控制器)、氣囊組成，各個氣囊之間獨立控制，確保實際載荷值與理論載荷值相同，如圖12所示。

圖12 氣囊加載示意圖

3.2 應(yīng)變與測量

試驗過程中，需要對平尾翼根整流罩關(guān)鍵部位進(jìn)行考核，考核點位置如下：1)整流罩R角區(qū)；2)兩端位移測量點；3)整流罩與平尾連接區(qū)。應(yīng)變、位移測量點布置情況如圖13所示。

圖13 平尾翼根整流罩應(yīng)變、位移測量點布置圖

3.3 試驗結(jié)果

平尾翼根整流罩上、下罩體位移及應(yīng)變測量數(shù)據(jù)如圖14、圖15所示。

3.4 試驗結(jié)論

從圖14、圖15的數(shù)據(jù)曲線中可以看出，平尾翼根整流罩在整個試驗過程中，未見明顯的破壞現(xiàn)象以及大變形失穩(wěn)情況，即平尾翼根整流罩滿足強(qiáng)度、剛度要求。

4 結(jié)束語

本文給出的整體式復(fù)合材料平尾翼根整流罩結(jié)構(gòu)通用性強(qiáng)，為實現(xiàn)平尾翼根整流罩密封功能提供了一種新的解決方法。但目前的研究工作僅通過試驗驗證該方案的理論可行性，要真正體現(xiàn)該方案的優(yōu)勢，還需要通過后續(xù)裝機(jī)試飛積累數(shù)據(jù)，尤其是使用過程中密封件的壽命。后續(xù)工作將圍繞密封件壓縮量與壽命之間的聯(lián)系展開，以進(jìn)一步提高飛機(jī)的可維護(hù)性。