一種民用飛機貨艙泄壓裝置的設計分析

張曉剛

【摘 要】民用飛機貨艙快速泄壓裝置是對飛機增壓艙發生突然泄壓情況下的一種安全保障，其能夠防止飛機上不同密閉區域之間產生過大的壓差，避免結構損壞。本文通過對一種柔性結構泄壓裝置進行有限元分析，探索泄壓裝置在不同安裝預緊力下打開的臨界壓力值，從而為貨艙泄壓裝置的設計提供參考。

【關鍵詞】貨艙；泄壓；有限元分析

0 前言

民用飛機貨艙應急泄壓是飛機內飾結構設計時需考慮的一個問題，其在適航要求中也有具體條款，CCAR25.365（e）。在飛機結構及貨艙結構設計時需考慮機體結構在突然出現泄壓的情況下，貨艙及貨艙與機體結構直接的空腔應能保證結構整體安全。若要考慮突然泄壓后由貨艙內飾結構承擔泄壓后的載荷，則貨艙結構需設計較強從而增加飛機重量，為了保證貨艙結構安全且能減輕重量，故需要在貨艙增加快速泄壓裝置。從而滿足CCAR25.365（e）條款的要求。

貨艙泄壓板的作用為：在發生結構破洞時防止貨艙與三角區之間壓差載荷達到結所能承受的上限值。

本文基于以上考慮，采用有限元非線性逐步加載的方式，分析計算了快速泄壓板在隨著載荷增大的過程中多長時間能打開，從而減小貨艙結構的載荷。對不同預緊力對泄壓裝置的打開時間影響進行了分析，為后續泄壓裝置的安裝、調整提供了參考。

1 泄壓裝置結構

初始設計泄壓裝置為柔性抽出結構，如圖1所示。此裝置的工作原理為：板載壓力作用下從壓條抽出，完成泄壓功能。壓條由螺栓固定在貨艙結構上。

圖1 泄壓裝置結構

2 有限元模型建立

根據結構模型建立有限元模型，模型四周固支，壓差載荷逐步加載到圖1中紅色區域內，螺栓預緊力預先加載在各螺栓上。有限元模型如圖2所示。

圖2 泄壓裝置有限元模型

3 有限元分析結果

計算分兩步，第一步隱式計算螺栓預緊力，分別計算50N，100N，150N螺栓預緊力下的壓緊情況及結構周邊應力；第二步顯式計算增壓過程中泄壓板的一個變化過程，此計算步保持了隱式計算中預緊力計算結果。此兩步計算能較真實的模擬泄壓板在增壓過程中的動態變化情況及周邊結構應力變化過程。

3.1 取螺栓預緊力50N，摩擦系數0.26，則初始螺栓預緊力分布15.44MPa，顯示計算沖開時間為0.004s，此時增壓為0.02MPa，如圖3所示。

圖3 預緊力為50N時的結果

3.2 取預緊力100N，摩擦系數0.26，則初始螺栓預緊力分布29.8MPa，沖開時間為0.012s，此時增壓為0.06MPa，如圖4所示。

圖4 預緊力為100N時的結果

3.3 預緊力150N，摩擦系數0.26，則初始螺栓預緊力分布46.28Mpa，沖開時間為0.014s，此時增壓為0.07MPa，如圖5所示。

綜上3種不同預緊力情況下的泄壓板打開的臨界壓力，可以看出在摩擦系數相同的情況下，臨界壓力隨預緊力的增大而增大，但隨著預緊力的增大，臨界壓力增加逐漸變小并趨近于某一值。

4 結論

本文通過對一種民用飛機貨艙快速泄壓裝置在不同預緊力作用下，逐步尋找柔性泄壓板抽出的臨界壓力值，找出預緊力與泄壓臨界值的關系從而為貨艙泄壓裝置的結構設計、螺栓預緊力的選擇等提供參考。

【參考文獻】

[1]牛春勻.實用飛機結構工程設計[M].北京：航空工業出版社，2008.

[2]Erdogan F，Wu BH. The Surface Crack Problem for a Plate with Functionally Graded Properties[J].ASME Journal of Applied Mechangics，1997，64：449-456.

[3]Zienkiewicz OC，Taylor RL.The finite element method，Vol.1：The basis[M]. The fifth edition.Butterworth-Heinemann，2000.

[責任編輯：張濤]