李衛(wèi)平

【摘 要】現(xiàn)代軍民用渦扇發(fā)動機短艙飛機機載設備振動環(huán)境是飛機設計中一個極其重要的內(nèi)容，而對于飛機機載設備及其結(jié)構(gòu)的振動分析也是難度很大的一項工作。本文介紹了靜剛度和動剛度的分析方法，給出了了其理論來源，并結(jié)合飛機機載設備的高強度短時振動分析，給出了具體的使用方法，從而用于飛機機載設備及其結(jié)構(gòu)的振動分析，并指導工程實踐。

【關鍵詞】高函道比渦扇發(fā)動機；短艙外部壓力；臨界載荷；發(fā)動機推力

0 引言

隨著我國經(jīng)濟水平的提高，國內(nèi)軍民兩用飛機的使用量也越來越大，同時也對我國飛機設計的提出了更高的要求。大型軍民用飛機均采用高函道比渦扇發(fā)動機，而發(fā)動機設計中重要的部件即為發(fā)動機短艙設計，由于高函道比短艙相對于傳統(tǒng)形式存在直徑大，復合材料使用率高，內(nèi)外壓力載荷為主要涉及臨界載荷等特性，因此，需要在傳統(tǒng)飛機設計載荷的基礎上，對短艙設計載荷進行重新梳理分析研究。因此，本文主要介紹了高函道比渦扇發(fā)動機短艙結(jié)構(gòu)設計設計中外部壓力的篩選原則和參數(shù)點選取的應用，以指導實際的工程應用。

1 飛機載荷設計要求

根據(jù)CCAR 25.301條款的要求，對于飛機結(jié)構(gòu)應滿足：

（1）強度的要求用限制載荷（服役中預期的最大載荷）和極限載荷（限制載荷乘以規(guī)定的安全系數(shù)）來規(guī)定。除非另有說明，所規(guī)定的載荷均為限制載荷。

（2）除非另有說明，所規(guī)定的空氣、地面和水載荷必須與計及飛機每一質(zhì)量項目的慣性力相平衡。這些載荷的分布必須保守地近似于或接近地反映真實情況。除非表明確定受載情況的方法可靠，否則用以確定載荷大小和分布的方法必須用飛行載荷測量來證實。

（3）如果載荷作用下的變形會顯著改變外部載荷或內(nèi)部載荷的分布，則必須考慮載荷分布變化的影響。

2 外部壓力臨界載荷選取

由于短艙作為薄壁結(jié)構(gòu)，需要考慮外部壓力，而短艙外部壓力的影響因素較多，主要有飛行參數(shù)（高度、速度、溫度、角度）、發(fā)動機進出氣對短艙外部流場的影響。在載荷工況的篩選中，主要原則為馬赫數(shù)越大壓力越大；海拔越低，即動壓越大，壓力也越大。大壓力配合最大的攻角和垂向過載，或者配合最大的側(cè)滑角和側(cè)向過載，對設計部位而言最嚴重。

首先需要從飛機飛行包線上選擇臨界載荷點，選取時應給出Mach，高度，攻角和側(cè)滑角，同時還需疊代上發(fā)動機功率，動壓（Mach與高度的函數(shù)），發(fā)動機重心處的垂向及側(cè)向過載。

圖1 臨界性能點選取

臨界載荷點選取原則如下：

（1）Vd線 （圖1中Vd線）（即最大俯沖速度），共4種：

①最大馬赫數(shù)與相配套的最大動壓（即最小高度）（A點），疊加上：

最大垂向過載疊加最大攻角，最小垂向過載疊加最小攻角。

②最小高度（即最大動壓）與相配套馬赫數(shù)（B點），疊加上：

最大垂向過載疊加最大攻角，最小垂向過載疊加最小攻角。

（2）Vc線（圖1中Vc線），共4種：

①最大馬赫數(shù)與相配套的最大動壓（即最小高度）（A點），疊加上：

最大垂向過載疊加最大攻角，最小垂向過載疊加最小攻角。

②最小高度（即最大動壓）與相配套馬赫數(shù)（B點），疊加上：

最大垂向過載疊加最大攻角，最小垂向過載疊加最小攻角。

（3）Windmilling情況：按照經(jīng)驗，為Vd線（圖1中Vd線）的B點，兩種。

（4）最高海拔飛行包線（圖1中最好海拔性能線），2種或4種：

①最大海拔與相配套的俯沖馬赫數(shù)Md（A點），疊加上：

最大垂向過載疊加最大攻角，最小垂向過載疊加最小攻角。

②如果Mc小于Md，最大海拔與相配套的巡航馬赫數(shù)Mc（B點），疊加上：

最大垂向過載疊加最大攻角，最小垂向過載疊加最小攻角。

（5）最大風扇函道壓力（Ps-Pamb，靜壓減去環(huán)境靜壓，可以理解為最大壓差）：最大起飛推力與最大巡航推力功率下，共6種：

①由發(fā)動機供應商在最大巡航推力功率下，從Vc線和Vd線上分別尋找最大壓差（PS150-Pamb）的計算點，疊加上：

最大垂向過載疊加最大攻角，最小垂向過載疊加最小攻角。

②由發(fā)動機供應商在最大起飛推力功率下，尋找最大壓差（PS150-Pamb）的計算點，疊加上：

最大垂向過載疊加最大攻角，最小垂向過載疊加最小攻角。

（6）最大起飛推力與最大巡航推力功率下最大/最小攻角：按照經(jīng)驗，為最大/最小的動壓乘以攻角，共4種：

①在最大巡航推力功率下，從Vc線和Vd線上分別尋找最大/最小的動壓乘以攻角，疊加上相應的垂向過載。

②在最大起飛推力功率下，尋找最大/最小的動壓乘以攻角，疊加上相應的垂向過載。

（7）側(cè)向/不對稱載荷：按照經(jīng)驗，為最大的動壓乘以側(cè)滑角，共4種：

①在最大巡航推力功率下，從Vc線和Vd線上分別尋找最大的動壓乘以側(cè)滑角，疊加上：左偏、右偏。

②在最大起飛推力功率下，尋找最大的動壓乘以側(cè)滑角，疊加上：左偏、右偏。

（8）反推情況（圖1中反推性能包線），共2種：

計算點為包括了中止起飛、應急著陸、中止著陸中，最大馬赫數(shù)/最小海拔（即最大動壓），疊加上：反推開啟狀態(tài)，發(fā)動機最大反推功率、反推關閉狀態(tài)，發(fā)動機最大起飛推力功率（模擬反推即將打開前狀態(tài)）。

應注意，在CFD計算過程中，在高馬赫數(shù)的情況下會造成氣流分離，從而導致計算不收斂，載荷不連續(xù)。

對于尾吊短艙，由于氣流分離面從機翼開始，短艙氣流分離是由于機翼造成的。對于Vd、Md、Mc線上A點，均屬于此類情況，實際使用中可不考慮A點載荷，可用B點載荷代替。B點積分后所得垂向及航向載荷均為較嚴重情況。

對于翼吊短艙，由于氣流分離面從短艙開始，短艙氣流分離是由其本體造成的。對于Vd、Md線上的A點，均屬于此類情況，在實際使用中可根據(jù)Vc、Mc線上A點外推到Vd、Md情況。該處理下載荷雖然不真實，但處理較保守，且保守量可接受。

3 結(jié)束語

渦扇發(fā)動機短艙由于其大尺寸、小剛度特性，導致在強度分析及結(jié)構(gòu)設計時外部壓力作為其很重要的設計輸入，同時高速氣流流經(jīng)表明的特性，也導致臨界設計載荷的選取極為關鍵。因此，在研究清晰渦扇發(fā)動機短艙外部壓力臨界載荷工況后，對短艙結(jié)構(gòu)設計有及其重要的指導意義，本文通過外部壓力產(chǎn)生的原理、飛機飛行性能包線、發(fā)動機性能包線等出發(fā)，歸納總結(jié)了短艙外部壓力臨界載荷情況，對問題的解決也有一定的指導意義。

【參考文獻】

[1]牛春勻.使用飛機結(jié)構(gòu)應力分析及尺寸[M].航空工業(yè)出版社，2009.

[2]中國民用航空總局.CCAR-25（運輸類飛機適航標準）[S].

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