某型飛機垂尾前緣抗鳥撞減重設計

摘 要：在滿足抗鳥撞要求的基礎上，對某型飛機垂尾前緣進行減重優化，將部分鋁合金材料替換為碳纖維復合材料，減重明顯。

關鍵詞：垂尾；碳纖維；復合材料；飛機

中圖分類號：V221 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.128

近年來，世界各國強調了生態環境保護，導致飛機在低空高速飛行時極易發生與大鳥相撞事故。1976-03—1986-03，美國空軍飛機就發生鳥撞飛機風擋事故2 721次，其中，109次座艙玻璃被擊穿。1962年一架“子爵”號飛機與一只7 kg的大鳥相撞造成空難事故，機上17人全部喪生。因此，現代飛機結構必須設計成具有抗鳥撞能力。垂尾前緣是飛機鳥撞的危險區域，直接影響飛機飛行安全，對飛機垂尾前緣進行抗鳥撞分析是十分必要的。同時，隨著科學技術的進步，對于大型客機而言，減重的要求不斷提高，這可以極大降低飛機的成本。強度、剛度高的復合材料在民用飛機上的大量應用，為飛機的減重作出了巨大貢獻。波音公司的B787飛機、空客公司的A350飛機復合材料減用量都達到了50%.復合材料在飛機上的用量和應用部位已經成為衡量飛機結構先進性的重要指標之一。本文著重研究了在滿足抗鳥撞的要求下，將垂尾前緣部分鋁合金材料替換為先進的碳纖維復合材料，從而實現對垂尾前緣的減重設計。

1 理論分析

在新型飛機的設計過程中，飛機結構的抗鳥撞能力必須取得有試驗依據的分析和驗證。但試驗驗證成本高、周期長，設計初期可以通過數值模擬或經驗公式輔助設計。鳥撞時的載荷通常由試驗支持的經驗公式求出。除動力響應分析方法外，還有能量法，動力響應分析方法。本文采用能量法從能量的角度考慮鳥撞擠時穿透蒙皮和腹板需要多少動能，以及鳥的動能是否大于穿透蒙皮和腹板所需動能。

對于前緣蒙皮吸收的能量，分為以下3種。

2 減重優化

為了減少垂尾前緣的質量，將鳥撞對前緣蒙皮產生破壞較小的部分用CFRP材料來代替金屬材料。在實際鳥撞過程中，鳥的速度可以分解為法線方向和切線方向，如圖1所示， 前緣蒙皮部分只吸收法線方向速度產生的能量，稱為有效動能。本文中將a點到b點之間的蒙皮外輪廓分為15等份，分別命名為Point1～Point16，其中點b為前緣外輪廓對飛機縱軸傾斜15°的切點。

計算結果表明，在Point8～Point16的部位，鳥撞的有效動能已經很小，如圖2所示，所以在Point8之后的前緣蒙皮的材料可以換成重量較輕的CFRP材料，其厚度為1.5 mm。

當Point8～Point16的蒙皮換成CFRP材料后，重新計算此部分吸收的能量。計算結果表明，如圖3所示，在Point12～Point16間的蒙皮吸收的能量大于鳥撞的有效能量，所以以Point12為節點，Point1～Point12之間的蒙皮用金屬材料，Point12～Point16之間的蒙皮可以換成CFRP材料。

3 結論

通過對垂尾前緣的優化，結構的27%的鋁合金蒙皮可以替換為比強度高的碳纖維復合材料，實現減重15%.文中的減重優化方法適用于大部分飛機抗鳥撞部件，可為其他部件的減重提供參考依據。

參考文獻

[1]李娜，吳志斌，孔令勇，等.某型飛機平尾前緣抗鳥撞優化設計[J].飛機設計，2014，34（05）.

作者簡介：楊敏超（1984—），女，碩士，工程師，研究方向為力學分析、結構動強度設計。

〔編輯：張思楠〕