民用飛機貨艙系留系統靜強度設計

郭曉寧 張緒

上海飛機設計研究院，上海，201210

民用飛機貨艙系留系統靜強度設計

郭曉寧 張緒

上海飛機設計研究院，上海，201210

介紹了民用飛機貨艙系留系統靜強度設計的適航標準要求和設計載荷。以某型飛機貨艙系留系統靜強度設計為例，介紹了貨艙系留系統的靜強度分析和試驗驗證方法。試驗得到界面載荷值和理論分析得到界面載荷值對比分析表明對貨艙系留系統的分析方法保守，其設計滿足靜強度要求和適航條款要求。

貨艙攔阻網；系留接頭；載荷；靜強度

民用飛機貨艙系留系統，位于飛機貨艙內，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分割的不同貨艙隔段中，防止行李與貨物在飛機飛行過程中在貨艙中移動影響飛機重心或撞擊系統設備。貨艙系留系統主要包括以下幾部分：攔阻網，貨艙系留接頭，系留支座。貨艙系留系統主要承載貨艙隔斷內的貨物在飛機各種情況下產生的載荷，因此，其強度設計應滿足靜強度設計要求，保證在飛機整個服役期內能夠承受貨艙內貨物的載荷而不破壞，避免行李和貨物對飛機造成損害。

1 貨艙系留系統靜強度設計的適航要求

民用飛機進入市場運營需獲得適航局頒發的適航運營證。因此，民運飛機的設計必須按照適航規定的各項條款要求進行設計。貨艙系留系統的靜強度設計需按照FAR（《美國聯邦適航規章》）25部[1]/ CS（《歐洲適航規章》）25部[2]/ CCAR（《中國民用航空規章》）25部《運輸類飛機適航標準》[3]中的以下條款。

(1)25.303 安全系數

(2)25.305 強度和變形

(3)25.307 結構符合性的證明

(4)25.625 接頭系數

(5)25.787 儲存艙

2 貨艙系留系統結構簡介

飛機貨艙位于客艙地板以下，一般分為前貨艙和后貨艙兩部分。貨艙內的系留系統包括：攔阻網、系留接頭和系留支座。典型的貨艙系留系統結構形式，如圖1所示。

貨艙內的攔阻網通過系留接頭安裝在系留支座上，系留支座與飛機貨艙頂部的地板橫梁以及貨艙底部的地板結構相連接，系留接頭與系留支座之間采用快卸的連接形式。攔阻網的尺寸需符合整個貨艙截面的尺寸，以防止貨物從攔阻網與貨艙結構的夾縫中竄出。同時為了保證攔阻網安裝到位還需要有相應的調節機構。全尺寸阻攔網在規定的載荷工況下不能出現失效情況。

圖1 典型的貨艙系留系統結構示意圖

3 貨艙系留系統設計載荷

貨艙系留系統靜強度設計載荷包括：飛機設計載荷（包括飛行載荷，地面載荷及動載荷），飛機設計手冊第11冊貨艙設施章節要求的貨艙設計載荷[4]。

3.1 飛機設計載荷

飛機設計載荷分為飛行載荷，靜載荷和動載荷，依據這些載荷情況綜合得出飛機的載荷包線，根據載荷包線可得出貨艙系留系統所在飛機站位處各方向的過載系數。飛機設計載荷會隨著飛機的進一步設計而進行更新。

3.2 貨艙系留系統設計專用載荷

根據飛機設計手冊第11冊[4]規定貨艙系留系統應能對貨物牢固限動，以保證在經受CCAR25部[3]規定的地面機動載荷和飛行載荷作用下，不損傷飛機和貨物，貨艙系留系統按下列極限過載設計：

航向 向前3g 向后1.5g

側向 向左1.5g 向右1.5g

垂向 向上2g 向下4.5g

對前方有機組人員或乘員的貨艙，貨艙系留系統的設計還應考慮CCAR25.561條款[3]規定的應急著陸情況，即向前9g的過載，防止應急著陸時，貨物對機上乘員的傷害。

4 貨艙系留系統靜強度校核及試驗驗證

為保證貨艙系留系統在適航條款規定的載荷情況下滿足靜強度要求，需對貨艙系留系統中攔阻網，系留接頭以及系留支座進行靜強度校核。以某型飛機的貨艙系留系統為例，說明貨艙系留系統的靜強度分析方法，并通過試驗驗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 強度校核

某型飛機的貨艙系留系統結構形式如圖2所示，攔阻網與貨艙頂部地板橫梁以及貨艙地板分別通過4個系留接頭連接。

根據本文第3節所述貨艙系留系統設計載荷，選取貨艙系留系統的最嚴重載荷工況進行靜強度分析。載荷工況如表1所示。本文進行分析時選用的坐標系規定如下：以飛機對稱平面與機身構造水平面交線為Y軸，指向機尾為Y軸正向；Z軸垂直于機身構造水平面，向上為正；按右手定則，X軸向左為正。

利用PAM-CRASH有限元軟件，建立攔阻網有限元模型，如圖3所示。攔阻網采用Bar單元和Membrane單元模擬，在模型中對攔阻網與機身結構各連接點，約束其三個方向的平動位移。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上。計算得到攔阻網與機身結構連接點的支反力，通過得到的支反力對各連接點的系留接頭以及系留支座進行強度校核，得到這些連接部位的安全裕度（安全裕度=材料強度許用值/（安全系數×設計值））[5]，對于攔阻網本身安全系數取1.0；對于攔阻網與機身結構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[1]-[3]。

圖2 某型飛機貨艙系留系統圖示

圖3 攔阻網有限元模型示意圖

表1 貨艙系留系統極限載荷工況

4.2 試驗驗證

貨艙系留系統為符合適航標準，不僅需要進行理論分析，還必須通過試驗驗證。試驗驗證目的一方面是保證貨艙系留系統的強度符合適航條款的要求，另一方面是驗證其理論分析的可信度。某型飛機的貨艙系留系統試驗，是通過設計試驗臺架模擬貨艙系留系統周邊機身結構，然后按照飛機真實設計狀態下的安裝情況，將貨艙系留系統中攔阻網，系留接頭安裝在試驗臺架上。選取表1中的載荷工況作為試驗工況，試驗載荷通過在攔阻網上放置沙袋的形式將載荷傳遞的攔阻網上。貨艙系留系統的試驗臺架及試驗加載如圖4和圖5所示。

圖4 貨艙系留系統試驗臺架

圖5 試驗載荷加載形式

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

將試驗中測得的攔阻網與機身各連接點的界面載荷與理論計算得出的界面載荷進行比較。

由圖6可知試驗測得的攔阻網與機身結構各連接點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 理論分析值和試驗值對比

5 結語

本文以某型飛機的貨艙系留系統的靜強度校核為例說明了貨艙系留系統的靜強度設計要求以及校核和驗證方法。通過分析和試驗表明某型飛機的貨艙系留系統是滿足靜強度要求的，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]中國民航總局，CCAR25-R3.中國民用航空規章第25部-運輸類飛機適航標準，2001

[4]飛機設計手冊總編委會.飛機設計手冊11-民用飛機內部設施.北京：航空工業出版社，1998

[5]飛機設計手冊總編委會.飛機設計手冊9-載荷、強度和剛度.北京：航空工業出版社，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：系統強度設計。

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