民用飛機(jī)貨艙系留系統(tǒng)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)

郭曉寧 張緒

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海，201210

民用飛機(jī)貨艙系留系統(tǒng)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)

郭曉寧 張緒

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海，201210

介紹了民用飛機(jī)貨艙系留系統(tǒng)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的適航標(biāo)準(zhǔn)要求和設(shè)計(jì)載荷。以某型飛機(jī)貨艙系留系統(tǒng)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)為例，介紹了貨艙系留系統(tǒng)的靜強(qiáng)度分析和試驗(yàn)驗(yàn)證方法。試驗(yàn)得到界面載荷值和理論分析得到界面載荷值對(duì)比分析表明對(duì)貨艙系留系統(tǒng)的分析方法保守，其設(shè)計(jì)滿足靜強(qiáng)度要求和適航條款要求。

貨艙攔阻網(wǎng)；系留接頭；載荷；靜強(qiáng)度

民用飛機(jī)貨艙系留系統(tǒng)，位于飛機(jī)貨艙內(nèi)，主要功能為：將貨艙中的行李及其他貨物固定或約束在由攔阻網(wǎng)分割的不同貨艙隔段中，防止行李與貨物在飛機(jī)飛行過程中在貨艙中移動(dòng)影響飛機(jī)重心或撞擊系統(tǒng)設(shè)備。貨艙系留系統(tǒng)主要包括以下幾部分：攔阻網(wǎng)，貨艙系留接頭，系留支座。貨艙系留系統(tǒng)主要承載貨艙隔斷內(nèi)的貨物在飛機(jī)各種情況下產(chǎn)生的載荷，因此，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，保證在飛機(jī)整個(gè)服役期內(nèi)能夠承受貨艙內(nèi)貨物的載荷而不破壞，避免行李和貨物對(duì)飛機(jī)造成損害。

1 貨艙系留系統(tǒng)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的適航要求

民用飛機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)需獲得適航局頒發(fā)的適航運(yùn)營(yíng)證。因此，民運(yùn)飛機(jī)的設(shè)計(jì)必須按照適航規(guī)定的各項(xiàng)條款要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。貨艙系留系統(tǒng)的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)需按照FAR（《美國(guó)聯(lián)邦適航規(guī)章》）25部[1]/ CS（《歐洲適航規(guī)章》）25部[2]/ CCAR（《中國(guó)民用航空規(guī)章》）25部《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》[3]中的以下條款。

(1)25.303 安全系數(shù)

(2)25.305 強(qiáng)度和變形

(3)25.307 結(jié)構(gòu)符合性的證明

(4)25.625 接頭系數(shù)

(5)25.787 儲(chǔ)存艙

2 貨艙系留系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

飛機(jī)貨艙位于客艙地板以下，一般分為前貨艙和后貨艙兩部分。貨艙內(nèi)的系留系統(tǒng)包括：攔阻網(wǎng)、系留接頭和系留支座。典型的貨艙系留系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

貨艙內(nèi)的攔阻網(wǎng)通過系留接頭安裝在系留支座上，系留支座與飛機(jī)貨艙頂部的地板橫梁以及貨艙底部的地板結(jié)構(gòu)相連接，系留接頭與系留支座之間采用快卸的連接形式。攔阻網(wǎng)的尺寸需符合整個(gè)貨艙截面的尺寸，以防止貨物從攔阻網(wǎng)與貨艙結(jié)構(gòu)的夾縫中竄出。同時(shí)為了保證攔阻網(wǎng)安裝到位還需要有相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。全尺寸阻攔網(wǎng)在規(guī)定的載荷工況下不能出現(xiàn)失效情況。

圖1 典型的貨艙系留系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 貨艙系留系統(tǒng)設(shè)計(jì)載荷

貨艙系留系統(tǒng)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)載荷包括：飛機(jī)設(shè)計(jì)載荷（包括飛行載荷，地面載荷及動(dòng)載荷），飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第11冊(cè)貨艙設(shè)施章節(jié)要求的貨艙設(shè)計(jì)載荷[4]。

3.1 飛機(jī)設(shè)計(jì)載荷

飛機(jī)設(shè)計(jì)載荷分為飛行載荷，靜載荷和動(dòng)載荷，依據(jù)這些載荷情況綜合得出飛機(jī)的載荷包線，根據(jù)載荷包線可得出貨艙系留系統(tǒng)所在飛機(jī)站位處各方向的過載系數(shù)。飛機(jī)設(shè)計(jì)載荷會(huì)隨著飛機(jī)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)而進(jìn)行更新。

3.2 貨艙系留系統(tǒng)設(shè)計(jì)專用載荷

根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第11冊(cè)[4]規(guī)定貨艙系留系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)貨物牢固限動(dòng)，以保證在經(jīng)受CCAR25部[3]規(guī)定的地面機(jī)動(dòng)載荷和飛行載荷作用下，不損傷飛機(jī)和貨物，貨艙系留系統(tǒng)按下列極限過載設(shè)計(jì)：

航向 向前3g 向后1.5g

側(cè)向 向左1.5g 向右1.5g

垂向 向上2g 向下4.5g

對(duì)前方有機(jī)組人員或乘員的貨艙，貨艙系留系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮CCAR25.561條款[3]規(guī)定的應(yīng)急著陸情況，即向前9g的過載，防止應(yīng)急著陸時(shí)，貨物對(duì)機(jī)上乘員的傷害。

4 貨艙系留系統(tǒng)靜強(qiáng)度校核及試驗(yàn)驗(yàn)證

為保證貨艙系留系統(tǒng)在適航條款規(guī)定的載荷情況下滿足靜強(qiáng)度要求，需對(duì)貨艙系留系統(tǒng)中攔阻網(wǎng)，系留接頭以及系留支座進(jìn)行靜強(qiáng)度校核。以某型飛機(jī)的貨艙系留系統(tǒng)為例，說明貨艙系留系統(tǒng)的靜強(qiáng)度分析方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證來表明理論分析方法的可信度以及是否符合適航條款。

4.1 強(qiáng)度校核

某型飛機(jī)的貨艙系留系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，攔阻網(wǎng)與貨艙頂部地板橫梁以及貨艙地板分別通過4個(gè)系留接頭連接。

根據(jù)本文第3節(jié)所述貨艙系留系統(tǒng)設(shè)計(jì)載荷，選取貨艙系留系統(tǒng)的最嚴(yán)重載荷工況進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。載荷工況如表1所示。本文進(jìn)行分析時(shí)選用的坐標(biāo)系規(guī)定如下：以飛機(jī)對(duì)稱平面與機(jī)身構(gòu)造水平面交線為Y軸，指向機(jī)尾為Y軸正向；Z軸垂直于機(jī)身構(gòu)造水平面，向上為正；按右手定則，X軸向左為正。

利用PAM-CRASH有限元軟件，建立攔阻網(wǎng)有限元模型，如圖3所示。攔阻網(wǎng)采用Bar單元和Membrane單元模擬，在模型中對(duì)攔阻網(wǎng)與機(jī)身結(jié)構(gòu)各連接點(diǎn)，約束其三個(gè)方向的平動(dòng)位移。通過在Membrane單元上施加分布載荷，將貨物的慣性載荷傳遞到攔阻網(wǎng)上。計(jì)算得到攔阻網(wǎng)與機(jī)身結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)的支反力，通過得到的支反力對(duì)各連接點(diǎn)的系留接頭以及系留支座進(jìn)行強(qiáng)度校核，得到這些連接部位的安全裕度（安全裕度=材料強(qiáng)度許用值/（安全系數(shù)×設(shè)計(jì)值））[5]，對(duì)于攔阻網(wǎng)本身安全系數(shù)取1.0；對(duì)于攔阻網(wǎng)與機(jī)身結(jié)構(gòu)的連接部位的系留支座，接頭以及緊固件需考慮1.15的安全系數(shù)[1]-[3]。

圖2 某型飛機(jī)貨艙系留系統(tǒng)圖示

圖3 攔阻網(wǎng)有限元模型示意圖

表1 貨艙系留系統(tǒng)極限載荷工況

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

貨艙系留系統(tǒng)為符合適航標(biāo)準(zhǔn)，不僅需要進(jìn)行理論分析，還必須通過試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)驗(yàn)證目的一方面是保證貨艙系留系統(tǒng)的強(qiáng)度符合適航條款的要求，另一方面是驗(yàn)證其理論分析的可信度。某型飛機(jī)的貨艙系留系統(tǒng)試驗(yàn)，是通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)架模擬貨艙系留系統(tǒng)周邊機(jī)身結(jié)構(gòu)，然后按照飛機(jī)真實(shí)設(shè)計(jì)狀態(tài)下的安裝情況，將貨艙系留系統(tǒng)中攔阻網(wǎng)，系留接頭安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上。選取表1中的載荷工況作為試驗(yàn)工況，試驗(yàn)載荷通過在攔阻網(wǎng)上放置沙袋的形式將載荷傳遞的攔阻網(wǎng)上。貨艙系留系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)架及試驗(yàn)加載如圖4和圖5所示。

圖4 貨艙系留系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架

圖5 試驗(yàn)載荷加載形式

通過試驗(yàn)可知，貨艙系留系統(tǒng)中攔阻網(wǎng)，系留接頭能夠承受表1中100%的極限載荷，且攔阻網(wǎng)本身以及系留接頭沒有破壞。表明貨艙系留系統(tǒng)滿足靜強(qiáng)度要求。

將試驗(yàn)中測(cè)得的攔阻網(wǎng)與機(jī)身各連接點(diǎn)的界面載荷與理論計(jì)算得出的界面載荷進(jìn)行比較。

由圖6可知試驗(yàn)測(cè)得的攔阻網(wǎng)與機(jī)身結(jié)構(gòu)各連接點(diǎn)的界面載荷均小于理論分析值，這表明理論分析偏保守，理論分析可信。

圖6 理論分析值和試驗(yàn)值對(duì)比

5 結(jié)語

本文以某型飛機(jī)的貨艙系留系統(tǒng)的靜強(qiáng)度校核為例說明了貨艙系留系統(tǒng)的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求以及校核和驗(yàn)證方法。通過分析和試驗(yàn)表明某型飛機(jī)的貨艙系留系統(tǒng)是滿足靜強(qiáng)度要求的，符合適航條款要求。

[1]Federal Aviation Administration.FAR25.Airworthiness Standards:Transport Category Airplanes.2008

[2]European Aviation Safety Agency.CS25.Certification Specifications and Acceptable Means of Compliance for Large Aeroplanes.2011

[3]中國(guó)民航總局，CCAR25-R3.中國(guó)民用航空規(guī)章第25部-運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)，2001

[4]飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)11-民用飛機(jī)內(nèi)部設(shè)施.北京：航空工業(yè)出版社，1998

[5]飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)9-載荷、強(qiáng)度和剛度.北京：航空工業(yè)出版社，2001

Static Strength Design of Cargo Mooring System in Commercial

Guo Xiao-ning, Zhang Xu
Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai，P.R.China

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.19.043

郭曉寧（1980-），工程師，研究方向：系統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

AbstractCertification requirements and static design of cargo mooring system in commercial aircraft are introduced.An cargo mooring System is taken as an example to explain static strength analysis and certification tests methods.Comparison of test interface loads with theoretical computation interface loads shows that the theoretical analysis method of cargo mooring system is conservative and the design meets the certification and static strength requirement.

Keywordscargo net; fitting; load;static strength