民航客機后壓力框球皮結構設計技術及分析

羅騰騰

【摘 要】后壓力框球皮結構是飛機非常重要的結構部件，主要承受客機身的氣密載荷。本文詳細分析了后壓力框結構的設計要求，研究了球皮結構半徑計算分析以及球皮結構的加筋方式，并最終對該結構形式進行了數值分析，發現球皮結構位移和應變均符合設計要求。

【關鍵詞】后壓力框；加筋；數值分析；球皮結構

0 引言

后壓力框球皮結構主要承受飛機客艙內的氣密載荷，是機身內部一個封閉式的氣密結構，是機身中重要的耐疲勞承力結構，疲勞問題需要重點考慮。

1 國內外發展現狀

后壓力框球皮結構一般為柔性的，早期一般普遍使用金屬結構，隨著復合材料技術的發展，現在的主流機型基本上使用復材球皮結構，一是大大的減輕了球皮結構重量，二是降低了裝配工作量、提高了生產效率，現在國外大型客機后壓力框球皮結構應用復合材料的機型有A340、A380、B787、A350等。A340后壓力框球皮結構采用碳纖維預浸料和泡沫夾心通過熱壓罐工藝一次固化成型；A350后壓力框球皮結構采用NCF布和泡沫夾心通過VAP工藝一次固化成型；A380球皮結構的材料為碳纖維環氧樹脂基復合材料面板和泡沫夾心加筋，利用了樹脂膜熔浸成形（RFI）工藝和熱壓罐二次固化成型工藝；B787 后壓力框使用中等模量碳纖維，利用真空輔助液體成型工藝VARTM（Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding）成型。C919飛機也采用了先進的設計理念和生產工藝，在球皮結構上使用了復合材料。

2 后壓力框球皮結構設計要求

后壓力框球皮結構需滿足以下設計要求：

a）后壓力框球皮結構需滿足機身氣密載荷，包括限制增壓載荷、極限增壓載荷、限制負壓載荷、極限負壓載荷，還應滿足AC20-107B關于疲勞及損傷容限的要求及沖擊條件下的氣密要求。

b）后壓力框的球皮結構如果為復材，其材料的選取要滿足25.853適航條款中關于客艙內部設施材料阻燃的要求。

3 后壓力框球皮結構設計

后壓力框球皮結構一般由球皮和加筋條組成，球皮為薄壁結構，其中加筋條有徑向加筋、環向加筋和格柵加筋等三種方式，目前民用客機后壓力框球皮結構普遍應用的是徑向加筋方式——泡沫加筋。

3.1 球皮半徑計算分析

理想的球皮外形是一個規則球面，在機身艙內增壓載荷作用下，球皮表面產生張力、無應力集中出現，此時球皮結構具有較好的抗疲勞性能。大多數情況下飛機后壓力框站的機身橫截面并不是正圓（一般情況下是由兩個及兩個以上的圓組成）。大多數情況下，為了簡化球皮結構的設計，采取了后壓力框球皮結構內接方案，球皮的理論外形為正球冠設計（空客比較偏好這種方案）；也可以調整好后壓力框站位的機身截面形狀，并對球皮外形進行修形，獲得一個光滑的、曲率變化相對較小、受力均勻的球皮外形，B787采取此類設計方法。

對后壓力框站位附近的機身結構進行簡化分析，如下圖1所示。其中，綠色虛線為機身理論外形，AB綠色實線為后壓力框站位的機身截面高度H，粉紅色圓弧線為球皮外形（此處假設為正球冠，球冠高度為h1），那么球冠半徑R的計算公式為：

R2=（R-h1）2+（H/2）2

求解公式，得半徑R=[（H/2）2+h12]/2h1

一般情況下，球冠高度h1的設定基本與飛機結構維修性有關，在滿足維修性的前提下，增加球冠高度可獲得較好的受力特性（會付出重量代價）。根據機身的骨架模型設計和總體布置，球冠高度h1一般取一個框距左右，機身截面高度H一般與總體布置模型相關（此處是固定值）。

3.2 球皮加筋設計

由于球皮結構格柵加筋具有較好的損傷容限特性，在負壓作用下具有較好的穩定特性，因此對球皮采取格柵加筋形式。飛機垂向Y和橫向Z分別為球皮結構的0°和90°方向，該兩個方向上的加筋正好彌補了該區域曲率變化大引起的結構性能下降，如下圖2所示，徑向加筋分布（輻狀黃色粗線）左右對稱，讓球皮加筋結構達到均衡分布。由于在±45°方向布置了NCF布的材料主方向，故±45°的加筋結構要盡可能的長、參與更多的徑向傳力、使結構效率最高，綜合考慮每個球皮格子的受力大小，該加筋可適當縮減一個環向格子距離以滿足球皮結構穩定性和重量兩方面的需求。

3.3 球皮受力分析

設定球皮鋪層為[（±45），（0/90），（±45）]s，環向加筋加筋和徑向加筋寬度均為60mm，加筋鋪層[（±45），0，（0/90），0，（±45），0]s，基本使用6層單向帶，使用VARI液體成型工藝，碳纖維體積占比為56%，誤差±2%，應用材料NCF織物拉伸模量≥240Gpa，EP2400環氧樹脂CSAI>200MPa@30J。

后壓力框結構的主要載荷：限制增壓載荷82KPa、極限增壓載荷124KPa、限制負壓載荷-9KPa和極限負壓載荷-14KPa，球皮結構的設計主要考慮其極限負壓載荷的穩定性設計要求。對球皮結構進行有限元網格劃分，均使用殼單元shell，拉伸應變最大3500με。

在極限增壓載荷工況下球皮變形位移最大為7.5mm；在極限增壓載荷工況下球皮應變最大為1265με；在極限增壓載荷工況下格柵加筋結構應變最大為1159με。符合結構設計要求。

4 結束語

隨著復合材料技術的發展，復合材料后壓力框球皮結構在主流民機上均有較大程度的應用，新型研發的寬體機型基本上完全使用了復材球皮結構方案。

【參考文獻】

[1]牛春勻，著.《實用飛機結構工程設計》.北京：航空工業出版社，2008，174-189.

[2]中國航空研究院編著.《復合材料結構設計手冊》.航空工業出版社，2001.

[3]牛春勻，著.《實用飛機復合材料結構設計與制造》.航空工業出版社，2010.

[責任編輯：朱麗娜]endprint