民用飛機機組存儲柜的結構設計和強度校核

龐錦平

（中航飛機研發中心環控救生所，陜西 西安710089）

民用飛機機組存儲柜的結構設計和強度校核

龐錦平

（中航飛機研發中心環控救生所，陜西 西安710089）

結合民用飛機存儲柜的改造需求，提出一種先結構設計后強度校核的設計流程。結構設計方面，在分析艙內布局和可行空間的基礎上確定存儲柜的造型和尺寸；強度校核方面，提出一種利用有限元的分析結果作為最大應力輸入的剩余強度校核方法，并以某型號民用飛機的存儲柜為例進行校核，驗證了存儲柜的設計強度滿足要求。

民機；存儲柜；結構設計；強度校核

機內存儲設施是民用飛機艙內生活設備的組成部分，用于存儲機組人員飛行和生活用品、旅客攜帶的行李物品以及艙內配置的應急救生設備等［1］。在存儲設施設計過程中，必須考慮兩個方面：一是結構設計，主要包括存儲設施的材料、結構型式、安裝方式等的設計；二是可靠性設計，使其滿足適航條款中規定的艙內設備在應急著陸情況下的強度安全要求［2］。

本文針對某型號民用飛機改裝過程中需要增裝機組存儲柜的問題，設計儲存柜的結構尺寸并在極限條件下進行強度校核，確保其滿足使用性和可靠性的要求。

1　存儲柜設計要求

根據某航空用戶要求，需在某型號飛機客艙內增裝存儲柜。結合適航條款CCAR-25 R4［2］中相關規定，設計要求如下：

（1）容積負載要求：柜體通過隔板分為上下兩個獨立空間，其中上部小空間限重10 kg，下部大空間至少容納三個18寸飛行箱，限重70 kg.

（2）外形尺寸要求：柜體不得超過預留空間；確保存儲柜裝配體可通過登機門洞和分艙板門洞；滿足旅客過道寬度的相關適航要求。

（3）強度安全要求：在臨界負載下，滿足適航條款中對應急著陸情況的強度安全要求。

（4）制造材料要求：必須滿足適航條款中對阻燃特性、熱輻射特性和發煙特性的要求。

2　存儲柜的結構設計

2.1結構形式及材料選擇

綜合考慮成本和工藝等因素，存儲柜采用分體式結構形式，柜體壁板材料采用酚醛樹脂基玻璃預浸布包覆的NOMX蜂窩芯夾層結構，酚醛樹脂基玻璃預浸布是一種可靠的航空復合材料，具有強度高、抗疲勞性能好和耐高溫性好等優勢［3-5］，符合CCAR 25.853中對艙內材料的要求。

2.2尺寸設計

根據CCAR-25.815的規定，客座量大于20座的飛機，座椅之間的旅客過道最小寬度要求，參看圖1中的Lmin1和Lmin2.結合客艙內預留空間，得到存儲柜的可用空間區域見圖1中的陰影所示。根據存儲柜容納三個標準18寸飛行箱的容積要求以及登機門洞（750 mm×1 405 mm）和分艙板門洞（556 mm×1 799 mm）對通過性的限制，最終得到存儲柜的外形及有效尺寸。存儲柜由頂板、前壁板、后壁板、底板、側隔板、側壁板、門板（兩個）及分隔板構成，分隔板將存儲柜分為上下兩層，見圖2（a）所示。后壁板通過螺栓固定在分艙板上，前壁板用L型連接型材通過螺栓與地板下的結構型材連接，分別見圖2（b）和（c）.

圖1　存儲柜可用空間區域示意圖

圖2　存儲柜CAD造型及螺栓分布位置

3　基于有限元仿真的強度校核

3.1強度校核基本原理

強度校核是存儲柜設計中的最后步驟，用以校驗設計結果是否符合工況需求。本文需校核項目為連接型材強度、連接部位螺栓強度以及存儲柜強度，采用的校核標準是剩余強度，基本思路是利用有限元的分析結果作為實際最大應力輸入，進而計算剩余強度。

（1）對于型材強度，可以采用

式中，σb為強度極限；σ為最大應力絕對值；當時η＞1，則滿足要求。

（2）在計算螺栓拉剪復合的剩余強度時，則需要先計算以下參數

式中，

σb為螺栓的強度極限；σ綜合為螺栓拉剪復合時的綜合計算應力；τ為螺栓受剪時的計算應力；σP為螺栓受拉時的計算應力；Q為螺栓剪力；P為螺栓拉力；A為螺栓光桿處的面積；d為螺栓直徑。

（3）對于存儲柜的強度校核，參考文獻［3］中對復合材料鋪層的失效校驗方法，選用蔡-胡失效準則進行強度校核，強度比方程為

式中，

式中：Xt為縱向拉伸強度，Xc為縱向壓縮強度；Yt為橫向拉伸強度，Yc為橫向壓縮強度；S為縱橫剪切強度；為參數相關項，通常-1＜＜1.

3.2有限元仿真

存儲柜的設計強度必須滿足CCAR-25.561，即存儲柜在受到應急著陸情況下的極限慣性載荷時仍滿足強度安全要求。柜體最大負載為80 kg，極限工況及對應的載荷系數分別為：向上，3.0；向前，9.0；側向，3.0；向下，6.0；向后，1.5.

有限元分析方法在飛機的設計和分析中應用廣泛［6］。本文建立存儲柜和結構框兩個有限元模型用于仿真計算強度校核過程中所需的實際最大應力，如圖3所示。然后，采用MSC Nastran軟件的靜力模塊進行應力分析和求解。

圖3　有限元應力云圖

3.3強度校核結果

（1）連接型材的強度校核

型材材料為LY12-CZ，強度極限為σb=390 MPa.仿真計算得出工況2下出現最大應力σv=35.7 MPa.計算剩余強度得η=10.9＞1，因此，地板上型材符合強度安全要求。

（2）連接部位螺栓的強度校核

螺栓材料為30CrMnSiA，強度極限為σb=1 080MPa.螺栓直徑b=5 mm.參考《飛機設計手冊》［3］可得螺栓剪切強度極限τb=0.63σb.根據仿真結果計算得出螺栓的最小剩余強度η=11.4＞1，故所有螺栓滿足強度要求。

（3）存儲柜的強度校核

酚醛樹脂基玻璃預浸布鋪層的基本強度參數為：Xt=403 MPa，Xc=383 MPa，Yt=416 MPa，Yc=452 MPa，S=85 MPa，F*12=-0.5.通過仿真和計算可知，在最嚴重的工況2條件下，各鋪層最小剩余強度ηmin=30.1＞1，故存儲柜滿足強度要求。

4　結束語

本文結合民用飛機存儲柜的改造需求，提出一種先結構設計后強度校核的設計流程。在結構設計方面，結合適航條款中對民機過道寬度的要求，分析艙內布局和可行空間，在此基礎上確定存儲柜的造型和尺寸。在強度校核方面，提出了一種基于有限元分析的剩余強度校核方法。該方法利用有限元的分析結果作為實際最大應力輸入，進而計算剩余強度。根據適航條款中對應急著陸情況下的極限慣性載荷規定，以某型號民用飛機的存儲柜為例進行校核，驗證了存儲柜的設計強度滿足要求。

［1］馬旭章.飛機設計手冊第11分冊民用飛機內部設施［M］.北京：航空工業出版社.1998.

［2］CCAR-25-R4.中國民用航空規章第25部——運輸類飛機適航標準［S］.

［3］潘先進.民用飛機內飾材料研究［J］.裝備制造技術，2014，（8）:237-238.

［4］Williams J C，Starke E A.Progress in structural materials for aerospace systems［J］.Acta Materialia，2003，51（19）:5775-5799.

［5］馬立敏，張嘉振，岳廣全，等.復合材料在新一代大型民用飛機中的應用［J］.復合材料學報，2015，32（2）:317-322.

［6］馮宇晨，郭建忠.飛機全機結構有限元建模關鍵技術研究［J］.裝備制造技術，2013，（4）:1-4.

Structural Design and Strength Checking of Civil Aircraft Storage Cabinet

PANG Jin-ping
（China Aviation Aircraft R&D Center，Xi’an Shaanxi 710089，China）

This paper presents a procedure containing structural design and strength checking on the demand of transformation for civil aircraft storage cabinets.In the aspect of structural design，the dimensional parameters of the storage cabinet are determined on the basis of the analysis of the cabin layout and the feasible space.In the aspect of strength checking，a residual strength checking method based on FEA（Finite Element Analysis）is proposed.Using the FEA results as the actual maximum stress input，the residual strength can be calculated. According to the regulations of the limit inertial load on the emergency landing case in the airworthiness clause，a civil aircraft storage cabinet is taken as an example which verifies the design strength of the storage tank to meet the requirements.

civil aircraft；storage cabinet；structural design；strength checking

V223

A

1672-545X（2016）07-0054-02

2016-04-28

龐錦平（1988-），女，陜西西安人，碩士，助理工程師，研究方向：飛機內飾系統研究。