民用飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)

王敏

摘 要：該文將安裝系統(tǒng)的理論應(yīng)力值與實(shí)驗(yàn)應(yīng)力值相比較，通過實(shí)驗(yàn)分析法驗(yàn)證這種設(shè)計(jì)是符合靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的，并且達(dá)到相關(guān)適航條款的要求。下文中會(huì)以某種民用機(jī)的安裝系統(tǒng)進(jìn)行舉例說明，講解了關(guān)于民用飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置的安裝以及靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)和校核。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī) 輔助動(dòng)力裝置 靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)

中圖分類號：V215.24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（a）-0048-02

輔助動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大部分是被設(shè)計(jì)成拉桿結(jié)構(gòu)并且被固定在民用機(jī)上，因此，飛機(jī)的機(jī)身就承擔(dān)了輔助動(dòng)力裝置所產(chǎn)生的載荷。因此，它的強(qiáng)度設(shè)計(jì)只有滿足了靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)、疲勞與損傷容限的要求，才能使其能夠承擔(dān)在飛機(jī)的使用期間能夠負(fù)荷的最大值，并且可以保持住永久性地不變形。輔助動(dòng)力裝置是當(dāng)前民用飛機(jī)的主要組成系統(tǒng)，簡稱為輔助動(dòng)力裝置。它是一個(gè)單獨(dú)的小型渦輪動(dòng)力裝置，在民用機(jī)上的安裝區(qū)域大多為機(jī)身后面的尾錐區(qū)。它的作用主要是給飛機(jī)照明系統(tǒng)提供電力；為發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)提供引氣與輔助電源。

1 輔助動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的適航要求

民用飛機(jī)為了能夠得到適航當(dāng)局的適航證并可以出售，就必須要遵守相關(guān)適航條例、標(biāo)準(zhǔn)。其中，民用飛機(jī)的輔助動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)就需要符合FAR（《美國聯(lián)邦適航規(guī)章》）25部[1]、CS（《歐洲適航規(guī)章》）25部[2]以及CCAR（《中國民用航空規(guī)章》）25部《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》[3]中的相關(guān)條款中的安全系數(shù)達(dá)標(biāo)、結(jié)構(gòu)是否符合相關(guān)條款的標(biāo)準(zhǔn)、發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力裝置支架的側(cè)向載荷等條款，才能夠進(jìn)行出售以及合法的航行。

2 輔助動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)載荷

輔助動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)所需要的載荷主要包括飛行載荷、地面載荷和動(dòng)載荷（統(tǒng)稱為飛機(jī)設(shè)計(jì)載荷）陀螺載荷、側(cè)向載荷等等。

2.1 飛機(jī)設(shè)計(jì)載荷

當(dāng)前，我國民用飛機(jī)在制造以及設(shè)計(jì)方面都有飛速的發(fā)展，同時(shí)，載荷包線也隨之有更多的改變和更新。包線即飛機(jī)在航行過程中的各個(gè)坐標(biāo)軸以及方向的閾值。在民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，計(jì)算飛機(jī)載荷的專業(yè)人員會(huì)將飛機(jī)的飛行、地面和飛行過程中的載荷包線進(jìn)行計(jì)算。

2.2 應(yīng)急著陸載荷

根據(jù)條款要求，輕度撞損應(yīng)急著陸過程中依據(jù)上文中提到的條款中的要求，輔助動(dòng)力裝置系統(tǒng)受周圍結(jié)構(gòu)的影響而產(chǎn)生慣性載荷系數(shù)時(shí)，或是飛機(jī)因發(fā)生了輕度的撞擊損壞而被迫著陸時(shí)，這些情況都應(yīng)能夠被安裝系統(tǒng)所固定：（1）向上：3.0；（2）向前：9.0；（3）側(cè)向：3.0；（4）向下：6.0；（5）向后：1.5。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩

依據(jù)條款，輔助動(dòng)力裝置和輔助動(dòng)力裝置架的支撐結(jié)構(gòu)要承擔(dān)以下所說的載荷：（1）飛機(jī)故障或損壞導(dǎo)致輔助動(dòng)力裝置發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)致使發(fā)動(dòng)機(jī)限制扭矩載荷；（2）輔助動(dòng)力裝置加速過大導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)限制扭矩載荷。

2.4 側(cè)向載荷

依據(jù)條款要求，輔助動(dòng)力裝置的支架和結(jié)構(gòu)需橫向的制約載荷系數(shù)，這個(gè)系數(shù)要相當(dāng)于偏航情況得到的最大載荷系數(shù)，但是不能低于1.33。

2.5 陀螺載荷

根據(jù)FAR/CS/CCAR25.371[1—3]的條款要求，輔助動(dòng)力裝置的支撐結(jié)構(gòu)考慮到飛機(jī)在飛行過程中、或遭遇暴風(fēng)和劇烈的風(fēng)喘時(shí)以及飛機(jī)著陸之后等情況下所產(chǎn)生的載荷進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)，并且，輔助動(dòng)力裝置系統(tǒng)必須具有與之相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)速。所謂的陀螺效應(yīng)，即物體在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的自轉(zhuǎn)軸不是自發(fā)性地在空中轉(zhuǎn)變方向，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生陀螺力矩，因而出現(xiàn)了陀螺效應(yīng)。依據(jù)條款，輔助動(dòng)力裝置支撐結(jié)構(gòu)需要根據(jù)飛行機(jī)動(dòng)、著陸等情況載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且輔助動(dòng)力裝置必須要保持最大轉(zhuǎn)速。假設(shè)陀螺以角速度ω繞其自轉(zhuǎn)軸Oz轉(zhuǎn)動(dòng)（該運(yùn)動(dòng)稱為自轉(zhuǎn)） ，同時(shí)其自轉(zhuǎn)軸Oz又以角速度Ω繞固定軸Oξ轉(zhuǎn)動(dòng)（該運(yùn)動(dòng)稱為進(jìn)動(dòng)），設(shè)陀螺繞其自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 Iz，則陀螺作用于其施力體上的陀螺力矩[4]為：

動(dòng)著陸的過程當(dāng)中，輔助動(dòng)力裝置會(huì)隨之產(chǎn)生螺旋力矩，導(dǎo)致飛機(jī)在俯仰運(yùn)動(dòng)過程中的輔助動(dòng)力裝置中心位置產(chǎn)生橫向軸呈現(xiàn)的速度，沿著飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置引擎旋轉(zhuǎn)軸，其旋轉(zhuǎn)速度提出了飛機(jī)航向軸，周圍產(chǎn)生的陀螺力矩的輔助動(dòng)力裝置安裝支架的軌道平面垂直軸轉(zhuǎn)矩，計(jì)算公式是：

2.6 MEFBO載荷

MEFBO即主發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片負(fù)荷，主發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片飛機(jī)負(fù)載時(shí)脫落。主發(fā)動(dòng)機(jī)葉片損失將有一個(gè)短期負(fù)荷振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)與機(jī)身接口輔助動(dòng)力裝置重心處。在主引擎的風(fēng)機(jī)葉片脫落后，發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)停止運(yùn)行，這個(gè)時(shí)候如果受到氣流的影響導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的葉片的旋轉(zhuǎn)，則會(huì)在機(jī)身連接處生成一個(gè)振動(dòng)負(fù)荷，振動(dòng)載荷將傳遞給輔助動(dòng)力裝置重心。通過輔助動(dòng)力裝置中心MEFBO載荷和風(fēng)載荷下，輔助動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)應(yīng)該能夠承受輔助動(dòng)力裝置，防止其流失。

3 輔助動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)的靜強(qiáng)度校核及試驗(yàn)驗(yàn)證

輔助動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)為桿系結(jié)構(gòu)，可分為兩種：一種是由6根拉桿組合起來的靜定結(jié)構(gòu)，這種系統(tǒng)中，只要其中一根拉桿有損壞，那么安裝系統(tǒng)都會(huì)失去其穩(wěn)定性，導(dǎo)致無法將輔助動(dòng)力裝置有效地固定。另外一種為6根以上的拉桿組裝成的超靜定結(jié)構(gòu)，這種超靜定系統(tǒng)相對第一種更加穩(wěn)定，其中一根拉桿有所損壞，也不會(huì)造成輔助動(dòng)力裝置無法固定在安裝位置上面，但是，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式會(huì)增加重量以及安裝的難度。因此，輔助動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)成哪種結(jié)構(gòu)，還需要考慮到多種因素的影響，這些都需要在設(shè)計(jì)的初期通過對比進(jìn)行決定。輔助動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)靜強(qiáng)度校核的主要校核對象和校核要點(diǎn)如表1所示。

圖1為某種型號的飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)。圖中屬于超靜定系統(tǒng)，由7根拉桿組成，這7根拉桿的位置都在輔助動(dòng)力裝置的一側(cè)。包括拉桿、接頭以及隔振器等多個(gè)部件。

輔助動(dòng)力裝置的有限元模型如圖2所示。ROD為單元模擬拉桿，拉桿連接機(jī)身的關(guān)節(jié)是由殼單元來進(jìn)行模擬的，BUSH的減震器的剛性單元模擬，使用大剛度的輔助動(dòng)力裝置荷載傳遞梁單元模擬拉桿系統(tǒng)的重心。關(guān)節(jié)連接的飛機(jī)機(jī)身框架建立當(dāng)?shù)氐姆治隹蚣埽约皺C(jī)身的框架關(guān)節(jié)、它們所對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，受3個(gè)方向的平動(dòng)位移所約束。在各種不同情況下的飛機(jī)載荷會(huì)被分散在輔助動(dòng)力裝置的對應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，通過準(zhǔn)確地計(jì)算，可得到內(nèi)作用力對于安裝系統(tǒng)每一個(gè)零件的精確校對，從而得到計(jì)算工況下的最大以及最小安全裕度（安全裕度=許用值/（安全系數(shù)×設(shè)計(jì)值），對于零件本體，安全系數(shù)取1.0；對于緊固件連接處，安全系數(shù)取1.15[1—3]。

4 結(jié)語

該文通過某型號民用機(jī)的輔助裝置安裝系統(tǒng)靜強(qiáng)度的校核作為示例，簡單描述了民用機(jī)安裝系統(tǒng)的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)。某民用飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置系統(tǒng)對于拉桿的實(shí)際應(yīng)力以及理論性的應(yīng)力進(jìn)行分析比較，計(jì)算出的數(shù)據(jù)表明這種設(shè)計(jì)是可以滿足靜強(qiáng)度要求的，并且符合了相關(guān)的適航條款。

參考文獻(xiàn)

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