譚林林 趙繼偉 / TAN Linlin ZHAO Jiwei

(上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210)

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民用飛機飛行載荷篩選方法研究

譚林林 趙繼偉 / TAN Linlin ZHAO Jiwei

(上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210)

以某大型民用飛機為例，對設(shè)計點方法、參數(shù)分析與選擇法、單值包線法以及組合包線法等四種飛行載荷篩選方法進行了分析說明，載荷篩選方法對飛行載荷設(shè)計有極其重要的意義，并在目前飛機型號設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用。

民用飛機；載荷篩選方法；飛行載荷

0 引言

在民用飛機飛行載荷設(shè)計時，需要根據(jù)規(guī)范各種機動和突風(fēng)的要求，對重量、重心、慣矩、速度、高度等多種組合進行計算，會得到數(shù)萬種載荷情況，如果對所有情況都考慮時間歷程中每個點的載荷，將使得載荷點的數(shù)目十分龐大，在工程實際中是不切實際、難以實現(xiàn)的。因此，需要從如此浩瀚的數(shù)據(jù)堆中，根據(jù)一定的原則對上述所有載荷情況進行篩選，得到有限的載荷設(shè)計嚴(yán)重工況，用以提供強度進行校核計算，這樣既能保證不遺漏載荷的嚴(yán)重工況，又能大大減少計算的工作量。飛行載荷篩選使用了四種方法：設(shè)計點方法、參數(shù)分析與選擇法、單值包線法以及組合包線法，其中前三種為經(jīng)典的篩選方法，組合包線法是對經(jīng)典法的補充。

1 設(shè)計點方法

對于一個機動過程的時間歷程，采用設(shè)計點的概念來選取典型的載荷特征點。設(shè)計點法用于載荷篩選的初選，以偏航機動的垂尾載荷為例，用垂尾的三個設(shè)計點來概括，如圖1所示。

圖1 垂尾設(shè)計點

1)第一設(shè)計點：δr偏至δrmax 時刻；

2)第二設(shè)計點：FV為最大時刻；

3)第三設(shè)計點：δr回舵至中立時刻，δr方向舵偏度。

目前，設(shè)計規(guī)范對機動設(shè)計點提出了明確要求，如表1所示。

表1 設(shè)計點情況

2 參數(shù)分析與選擇法

在機動過程的時間歷程中，按照極值(包含最大值、最小值)進行篩選，如過載系數(shù)、角速度、角加速度、飛機姿態(tài)角、操縱面偏角、尾翼載荷、無尾載荷等重要參數(shù)。對于縱向機動，篩選對象為過載系數(shù)、迎角、平尾偏度、升降舵偏度、俯仰角速度、俯仰角加速度、平尾載荷、無尾載荷等，而側(cè)向機動，以側(cè)滑角、方向舵偏度、偏航角速度、偏航角加速度、側(cè)向過載、垂尾載荷等參數(shù)為篩選對象；滾轉(zhuǎn)機動，以滾轉(zhuǎn)角、側(cè)滑角、副翼偏度、滾轉(zhuǎn)角速度、滾轉(zhuǎn)角加速度等參數(shù)為篩選對象。

3 單值包線法

對計算的所有總載荷工況，在進行氣動分布載荷和慣性力分布載荷計算后，對于翼面類部件按照肋位累計，機身類部件按照框位累計得出各個站位的最大剪力、彎矩、扭矩，繪制出單值包線圖，以此篩選出嚴(yán)重載荷情況。以某民用飛機機翼為例給出如圖2～圖4所示的單值包線圖。

圖2 剪力圖

圖3 彎矩圖

圖4 扭矩圖

4 組合包線法

為保證能篩選到局部站位載荷嚴(yán)重情況，采用了組合包線法進行篩選，對于機翼而言一般選取4～5個站位，機身選取20個站位，平尾和垂尾選取1～2個站位，這些站位主要是一些外形突變處、結(jié)構(gòu)對接面、氣動力突變處，機翼選取了翼根剖面、發(fā)房區(qū)、襟翼區(qū)、副翼區(qū)，平尾和垂尾選取了翼根站位，分別繪制選取站位處的剪力-彎矩、彎矩-扭矩、剪力-扭矩組合包線，選取所有邊界點處作為嚴(yán)重工況進行校核。圖5～圖9給出了某站位機翼的彎矩、剪力、扭矩組合包線圖。對機身而言，慣性載荷起主要作用，組合包線法挑選尤為重要，前起框、主起框、前段、中段、尾段框及一些結(jié)構(gòu)對接框都需要選取，目前選定了4個框位。機身組合包線類型會更多，增加了側(cè)向力、側(cè)彎等組合。

對某民用飛機機翼而言，選取了翼跟剖面、發(fā)房區(qū)、襟翼區(qū)、副翼區(qū)作出剪力-彎矩、剪力-扭矩、彎矩-扭矩組合包線，選取所有邊界點處作為嚴(yán)重工況進行校核，選取如下站位：Z=1.925m， Z=6.118m, Z=10.018m, Z=13.618m。如圖10所示。

圖5 彎矩-剪力圖

圖6 剪力-扭矩圖

圖7 彎矩-扭矩圖

圖8 機身彎矩-剪力圖

圖9 機身側(cè)彎-側(cè)剪力圖

圖10 機翼展向剖面站位

5 結(jié)論

以某民用飛機載荷篩選為例采用組合包線法從60多萬種總載荷工況中篩選出各個部件的嚴(yán)重工況；結(jié)合經(jīng)典法共篩選出500多種縱向嚴(yán)重工況，100多種側(cè)向嚴(yán)重工況， 相比只用單值篩選方法(100多種縱向情況，70多種側(cè)向情況)更完善、合理，不會遺漏部件局部嚴(yán)重情況；組合包線法已經(jīng)經(jīng)過多輪載荷設(shè)計，目前采用的嚴(yán)重載荷篩選法已經(jīng)得到適航當(dāng)局審批，可應(yīng)用到民用飛機工程設(shè)計中。2014年12月，通過咨詢國外技術(shù)專家，了解到空客載荷設(shè)計目前也應(yīng)用了組合包線篩選法，其中，機翼選取了4～5個站位，機身選取了10～20個站位，平尾垂尾選取了1～2個站位。 這說明采用的載荷篩選法已經(jīng)與國際接軌。

[1] 《飛機設(shè)計手冊》總編委會.飛機設(shè)計手冊第九冊：載荷、強度和剛度[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[2] 中國民用飛機航空局.CCAR-25中國民用航空規(guī)章第25部：運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國民用航空局，2011.

Research on the Screening Methods of the Flight Load on Civil Aircraft

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

Taking a large civil aircraft as an example, four screening methods are explained such as design point method, parameter analysis and selection method, single envelop method and assemble envelop method. This paper researches these methods detail by detail. The screening method is important to the flight load. At present, the method is widely used in the airplane design.

civil aircraft; screening methods; flight load

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.03.003

V215.1

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