袁堅(jiān)鋒 董 萌 陳 炎

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引言

后緣襟翼是現(xiàn)代民用飛機(jī)提高起飛重量、縮短起降滑跑距離、提高機(jī)場(chǎng)適應(yīng)性的關(guān)鍵增升裝置，它能使飛機(jī)在低速飛行時(shí)保持較高的升力系數(shù)[1]。當(dāng)前主流機(jī)型實(shí)現(xiàn)襟翼運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)主要有3種形式：固定鉸鏈機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)和滑軌類機(jī)構(gòu)[2]。富勒襟翼一般通過(guò)曲柄直線滑軌運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，通常布置在機(jī)翼下表面，包括有滑軌、滑軌連接接頭、滑輪架、驅(qū)動(dòng)連桿、搖臂等結(jié)構(gòu)，如圖1所示。A350XWB和波音787均采用先進(jìn)鉸鏈單縫襟翼[3-4]，襟翼與支臂連接的位置通常在氣動(dòng)載荷的合力作用點(diǎn)附近，驅(qū)動(dòng)連桿與襟翼的連接位置一般位于襟翼的前緣，如圖2所示。

圖1 直線滑軌運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖2 先進(jìn)鉸鏈襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

在現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了保證結(jié)構(gòu)安全，主要部件大多采用損傷容限設(shè)計(jì)概念，其中破損安全設(shè)計(jì)是一個(gè)重要途徑[5]。有學(xué)者指出，所有可能引起災(zāi)難性破壞的結(jié)構(gòu)原則上都要按損傷容限要求進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]。彭森等[7]在研究民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)破損安全設(shè)計(jì)后指出任意一條傳力路徑失效后，其余結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受限制載荷。

損傷容限設(shè)計(jì)是當(dāng)前國(guó)際上通用的民用飛機(jī)設(shè)計(jì)原則，在損傷容限設(shè)計(jì)原則下，破損安全結(jié)構(gòu)是當(dāng)前民用飛機(jī)后緣襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主流設(shè)計(jì)。

1 襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)破損安全要求

1.1 破損安全結(jié)構(gòu)

破損安全結(jié)構(gòu)通常分為破損安全止裂結(jié)構(gòu)和破損安全多傳力結(jié)構(gòu)[8]。破損安全止裂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想為：在結(jié)構(gòu)完全破壞前，裂紋的不穩(wěn)定快速擴(kuò)展停止在結(jié)構(gòu)的某個(gè)連續(xù)區(qū)內(nèi)的結(jié)構(gòu)，其安全性依靠剩余結(jié)構(gòu)的緩慢裂紋擴(kuò)展和在后續(xù)的各次損傷檢測(cè)中來(lái)保證。在規(guī)定的不修理使用(服役)期內(nèi)，剩余未損傷結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不應(yīng)降低到規(guī)定的水平以下[9]。

破損安全多傳力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想為：通過(guò)設(shè)計(jì)備用結(jié)構(gòu)，使得飛機(jī)結(jié)構(gòu)在主傳力結(jié)構(gòu)失效后，載荷由備用結(jié)構(gòu)承擔(dān)，來(lái)保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全。根據(jù)備用結(jié)構(gòu)與主傳力結(jié)構(gòu)參與受力的先后關(guān)系，可再分為共同承力破損安全結(jié)構(gòu)和等待破損安全結(jié)構(gòu)。

共同承力破損安全結(jié)構(gòu)是備用結(jié)構(gòu)與主傳力結(jié)構(gòu)在飛機(jī)服役過(guò)程中同時(shí)承擔(dān)載荷的形式，主傳力結(jié)構(gòu)失效后，由備用結(jié)構(gòu)承載，來(lái)保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全，通常要求共同承力破損安全結(jié)構(gòu)的主、副結(jié)構(gòu)分別具有承受限制載荷的能力；等待破損安全是在主傳力結(jié)構(gòu)失效后，備用結(jié)構(gòu)才開(kāi)始承受載荷，通過(guò)備用結(jié)構(gòu)來(lái)保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全[10]，等待破損安全的主結(jié)構(gòu)要求具有承受極限載荷的能力，副結(jié)構(gòu)要求具有承受限制載荷的能力。

1.2 襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)破損安全結(jié)構(gòu)應(yīng)用場(chǎng)景

襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)破損安全設(shè)計(jì)選型如圖3所示。通常，等待破損安全結(jié)構(gòu)較共同承載破損安全結(jié)構(gòu)具有更高的安全性，但會(huì)帶來(lái)重量增加的代價(jià)。等待破損安全設(shè)計(jì)宜用于可檢性較差部位，如滑軌與機(jī)翼連接吊點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)全壽命期不需要進(jìn)行分解檢查的目的；對(duì)于方便檢查部位，如滑輪架與襟翼連接耳片，鉸鏈襟翼支、搖臂耳片等，適合采用共同承力破損安全結(jié)構(gòu)，在保證損傷容限要求的前提下減小結(jié)構(gòu)重量。

圖3 襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)破損安全設(shè)計(jì)選型

1.3 襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)破損安全結(jié)構(gòu)檢查要求確定方法

1.3.1 裂紋擴(kuò)展曲線

共同承力破損安全結(jié)構(gòu)和等待破損安全結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展曲線如圖4和圖5所示。圖中橫坐標(biāo)軸為循環(huán)次數(shù)，縱坐標(biāo)軸為裂紋長(zhǎng)度，紅色曲線為主結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展曲線，藍(lán)色曲線為副結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展曲線，aip和ais分別為主、副結(jié)構(gòu)裂紋的初始長(zhǎng)度，adet為主結(jié)構(gòu)裂紋的可檢長(zhǎng)度，NPF和NSF分別為主、副結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)度時(shí)的循環(huán)次數(shù)，np為主結(jié)構(gòu)裂紋從可檢長(zhǎng)度擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)度之間的循環(huán)次數(shù)，ns為副結(jié)構(gòu)裂紋從主結(jié)構(gòu)裂紋達(dá)到臨界長(zhǎng)度至自身臨界長(zhǎng)度之間的循環(huán)次數(shù)。

對(duì)于共同承力破損安全結(jié)構(gòu)，第1階段主、副結(jié)構(gòu)上的裂紋共同擴(kuò)展，但主結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展速率大于副結(jié)構(gòu)，當(dāng)主結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)度(仍能承受剩余強(qiáng)度載荷)時(shí)認(rèn)為失效。主結(jié)構(gòu)失效后，副結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入第2階段，此時(shí)副結(jié)構(gòu)承受全部載荷，裂紋擴(kuò)展速率顯著提高，直到副裂紋尺寸擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)度，此時(shí)副裂紋也應(yīng)具有獨(dú)自承受剩余強(qiáng)度載荷的能力。

等待破損安全結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展曲線與共同承力破損安全結(jié)構(gòu)不同，副結(jié)構(gòu)的裂紋長(zhǎng)度在第1階段不發(fā)生變化。相對(duì)應(yīng)地，主結(jié)構(gòu)因承受全部載荷會(huì)具有相對(duì)較高的裂紋擴(kuò)展速率，因而其裂紋從可檢長(zhǎng)度擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)度之間的循環(huán)次數(shù)np相對(duì)較少。副結(jié)構(gòu)裂紋從第2階段開(kāi)始擴(kuò)展，其ns相對(duì)較大，等于副結(jié)構(gòu)裂紋從自身初始長(zhǎng)度擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)度的循環(huán)次數(shù)。

圖4 共同承力破損安全結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展示意圖

圖5 等待破損安全結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展示意圖

1.3.2 檢查門檻值

破損安全結(jié)構(gòu)的檢查門檻值為破損安全結(jié)構(gòu)(通常為副結(jié)構(gòu))從初始缺陷尺寸擴(kuò)展到臨界裂紋長(zhǎng)度之間的時(shí)間間隔除以分散系數(shù)，如式(1)所示：

(1)

式中：

Ith——檢查門檻值；

NSF——副結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到臨界尺寸循環(huán)次數(shù)；

K1——檢查門檻值分散系數(shù)，通常取2.0。

1.3.3 重復(fù)檢查間隔

重復(fù)檢查間隔取主結(jié)構(gòu)裂紋達(dá)到可檢長(zhǎng)度至副結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)度之間的間隔除以分散系數(shù)，如式(2)所示：

(2)

式中：

Irec——重復(fù)檢查間隔；

np——主結(jié)構(gòu)裂紋從可檢長(zhǎng)度擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)度之間的循環(huán)次數(shù)；

ns——副結(jié)構(gòu)裂紋從主結(jié)構(gòu)裂紋達(dá)到臨界長(zhǎng)度至自身臨界長(zhǎng)度之間的循環(huán)次數(shù)；

K2——重復(fù)檢查間隔分散系數(shù)，通常取3.0。

2 襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)破損安全設(shè)計(jì)分類

2.1 按相對(duì)位置分類

2.1.1 同位結(jié)構(gòu)

滑軌運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中連接襟翼和滑輪架的吊掛耳片為關(guān)鍵傳力結(jié)構(gòu)，服役期內(nèi)承受很大的集中載荷。此類耳片通常設(shè)計(jì)為3層共鉚結(jié)構(gòu)，圖6所示，外側(cè)布置2片鋁合金耳片作為主結(jié)構(gòu)，中間布置1片疲勞性能更好(如鈦合金或合金鋼)的耳片作為副結(jié)構(gòu)達(dá)到破損安全設(shè)計(jì)目的。

圖6 吊掛耳片示意圖

圖7 滑輪架示意圖

滑軌運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的滑輪架同樣可通過(guò)布置同位耳片的方式實(shí)現(xiàn)破損安全設(shè)計(jì)要求，如圖7所示。該破損安全耳片為多功能結(jié)構(gòu)，一方面作為滑輪架主耳片的副結(jié)構(gòu)傳遞集中載荷，另一方面副耳片底部的破損安全“鉤”可在滑輪架滾輪失效后將滑輪架固定在滑軌上防止襟翼脫開(kāi)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同位結(jié)構(gòu)可通過(guò)控制連接孔的理論直徑和公差，實(shí)現(xiàn)共同承載破損安全設(shè)計(jì)或等待破損安全設(shè)計(jì)。

2.1.2 異位結(jié)構(gòu)

在一些空間狹小不能實(shí)現(xiàn)多層式破損安全結(jié)構(gòu)布置的部位，可采用異位結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多傳力路徑設(shè)計(jì)。對(duì)于異位結(jié)構(gòu)，主承力結(jié)構(gòu)失效后，傳力路徑和載荷分配將會(huì)發(fā)生變化。

滑軌根部連接區(qū)為典型破損安全異位結(jié)構(gòu)，在機(jī)翼下表面和襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)整流罩圍成的小空腔中，通過(guò)布置相互垂直的兩個(gè)剪切銷，與相應(yīng)的耳片組成2條獨(dú)立傳力路徑，主傳力路徑由主剪切銷和主吊掛耳片組成，副傳力路徑由破損安全銷和破損安全耳片組成，如圖8所示。

甲洛洛的一股怒氣直往上竄：你這輩子除了喝酒和打老婆還干過(guò)什么像樣的事，居然還來(lái)取笑我！甲洛洛心里疼快地罵著，臉上卻一副哀傷的模樣：老鄧，你可別折磨了登子，大家都是苦命人。甲洛洛說(shuō)著停下腳步，看著老鄧挺著大肚子，手里一搖一晃著他的兩瓶酒，頭也不回的遠(yuǎn)去了，甲洛洛在他身后狠狠地吐了口唾沫：狗都不如！

圖8 滑軌根部連接示意圖

另一個(gè)典型部位為滑軌中部連接區(qū)，該區(qū)域包含4個(gè)連接銷。滑軌通過(guò)主承力銷與機(jī)翼后緣接頭連接，并與滑軌根部連接區(qū)共同將襟翼滑軌固定在機(jī)翼下表面。主承力銷的作用為傳遞襟翼全部航向載荷及部分橫向載荷，并在地面停機(jī)時(shí)承受襟翼自重產(chǎn)生的載荷。由于襟翼滑軌表面應(yīng)力水平較高且寬度有限，難以在主承力銷位置設(shè)計(jì)大開(kāi)口加多層式同位結(jié)構(gòu)，故可設(shè)計(jì)異位結(jié)構(gòu)將傳力路徑分離，如圖9所示。主承力銷前側(cè)布置1個(gè)直徑較大的連接銷(破損安全銷1)作為傳遞航向和橫向載荷的副結(jié)構(gòu)；兩側(cè)布置2個(gè)直徑較小的連接銷(破損安全銷2和破損安全銷3)作為傳遞垂向載荷的副結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)計(jì)其與安裝孔的間隙實(shí)現(xiàn)副結(jié)構(gòu)載荷路徑的相對(duì)獨(dú)立。

圖9 滑軌中部連接示意圖

2.2 按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類

2.2.1 平板結(jié)構(gòu)

襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的破損安全結(jié)構(gòu)還可按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為平板結(jié)構(gòu)和鉸鏈結(jié)構(gòu)2類。對(duì)于存在較大平面的平板結(jié)構(gòu)，便于共鉚連接，適合將破損安全結(jié)構(gòu)緊貼平面布置。典型結(jié)構(gòu)為鉸鏈襟翼支臂，由2塊支撐板結(jié)構(gòu)組成，其與搖臂連接耳片為傳遞集中載荷的關(guān)鍵部位，在耳片處布置破損安全耳片作為副結(jié)構(gòu)，如圖10所示。鉸鏈襟翼?yè)u臂同樣為平板類結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)計(jì)3層共鉚結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)破損安全要求，如圖11所示。

圖10 內(nèi)側(cè)襟翼支臂示意圖

圖11 內(nèi)側(cè)襟翼?yè)u臂示意圖

3.2.2 鉸鏈結(jié)構(gòu)

襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中構(gòu)件交點(diǎn)處通常設(shè)置為球副或旋轉(zhuǎn)副，交點(diǎn)處連接件傳遞大載荷，需要設(shè)計(jì)為破損安全結(jié)構(gòu)。對(duì)于球副連接，如圖12所示鉸鏈機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)連桿與襟翼連接部位較為典型，通過(guò)設(shè)計(jì)多層軸承結(jié)構(gòu)，使主承力軸承頸部R區(qū)失效后載荷可通過(guò)破損安全銷傳遞，并維持該連接結(jié)構(gòu)完整不致襟翼脫開(kāi)。

圖12 驅(qū)動(dòng)連桿與襟翼連接示意圖

鉸鏈襟翼驅(qū)動(dòng)臂和驅(qū)動(dòng)連桿通過(guò)旋轉(zhuǎn)副連接，將驅(qū)動(dòng)器輸入扭矩轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)襟翼機(jī)構(gòu)。此處旋轉(zhuǎn)副可設(shè)計(jì)成主承力銷套破損安全銷的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)控制二者間隙實(shí)現(xiàn)主、副結(jié)構(gòu)同時(shí)傳載或等待破損安全設(shè)計(jì)，如圖13所示。

圖13 驅(qū)動(dòng)臂和驅(qū)動(dòng)連桿連接示意圖

3 襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)破損安全設(shè)計(jì)流程

襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)破損安全設(shè)計(jì)流程如下：

1)根據(jù)結(jié)構(gòu)位置和連接形式等特點(diǎn)確定是否為容易檢查部位。若為容易檢查部位，設(shè)計(jì)成共同承力破損安全結(jié)構(gòu)；若不便于檢查，則選擇等待破損安全結(jié)構(gòu)；

2)若設(shè)計(jì)為等待破損安全結(jié)構(gòu)，需根據(jù)襟翼設(shè)計(jì)載荷和全機(jī)有限元模型進(jìn)行變形計(jì)算，確定結(jié)構(gòu)安裝間隙；

3)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。對(duì)于共同承力破損安全結(jié)構(gòu)，需要滿足主、副結(jié)構(gòu)均能獨(dú)立承受限制載荷；對(duì)于等待破損安全結(jié)構(gòu)，需要滿足主結(jié)構(gòu)承受極限載荷、副結(jié)構(gòu)承受限制載荷的要求；若分析結(jié)果不滿足要求，則返回重新設(shè)計(jì)；

4)進(jìn)行疲勞和損傷容限分析，確定破損安全結(jié)構(gòu)的檢查門檻值和重復(fù)檢查間隔；若分析結(jié)果不滿足要求，則返回重新設(shè)計(jì)；

5)根據(jù)分析結(jié)果，制定結(jié)構(gòu)檢查大綱。

4 典型民用飛機(jī)富勒襟翼滑軌等待破損安全最小間隙

4.1 最小安裝間隙和設(shè)計(jì)間隙

典型民用飛機(jī)富勒襟翼滑軌與機(jī)翼連接區(qū)位于整流罩固定段內(nèi)部，可檢性差，通常采用等待破損安全設(shè)計(jì)。

實(shí)現(xiàn)等待破損安全的主要手段為控制副結(jié)構(gòu)安裝間隙，使其在主結(jié)構(gòu)失效前不參與載荷傳遞。最小安裝間隙可根據(jù)后緣襟翼設(shè)計(jì)載荷和全機(jī)有限元模型計(jì)算確定。同時(shí)，考慮零件制造和裝配公差，實(shí)際設(shè)計(jì)間隙應(yīng)大于最小安裝間隙。

4.2 典型富勒襟翼滑軌與機(jī)翼連接區(qū)

圖14 典型富勒襟翼滑軌與機(jī)翼連接區(qū)示意圖

典型富勒襟翼滑軌與機(jī)翼連接區(qū)如圖14所示。前接頭連接區(qū)由前剪切銷和破損安全銷組成，破損安全銷為備份結(jié)構(gòu)。吊掛螺栓連接區(qū)由主吊掛螺栓、備份吊掛螺栓和備份剪切銷組成。正常情況下，所有載荷均通過(guò)主吊掛螺栓傳遞。

4.3 最小安裝間隙設(shè)計(jì)要求

4.3.1 前接頭連接區(qū)

前接頭連接區(qū)由前剪切銷和破損安全銷組成。前剪切銷失效后，由破損安全銷代替前剪切銷傳遞垂向和橫向載荷。破損安全銷與孔的間隙應(yīng)滿足：

1)前剪切銷未失效時(shí)，破損安全銷與連接孔不發(fā)生接觸；

2)前剪切銷未失效時(shí)，滑軌與前接頭間不發(fā)生橫向載荷傳遞。

4.3.2 吊掛螺栓連接區(qū)

吊掛螺栓連接區(qū)包括主吊掛螺栓、備份吊掛螺栓及備份剪切銷。主吊掛螺栓失效后，備份吊掛螺栓代替主吊掛螺栓承受垂向載荷，備份剪切銷代替主吊掛螺栓承受航向和橫向載荷。各零件安裝間隙應(yīng)滿足：

1)主吊掛螺栓失效前，備份吊掛螺栓、備份剪切銷與連接孔不發(fā)生接觸；

2)主吊掛螺栓失效后，備份剪切銷與連接孔接觸，備份吊掛螺栓與連接孔不發(fā)生接觸；

3)襟翼正升力工況，主吊掛螺栓和備份吊掛螺栓處滑軌均不與機(jī)翼盒段發(fā)生垂向載荷傳遞。

4.3.3 聯(lián)合要求

根據(jù)滑軌傳力路線設(shè)計(jì)，前接頭連接區(qū)負(fù)責(zé)垂向和橫向載荷傳遞，吊掛螺栓連接區(qū)負(fù)責(zé)航向和橫向載荷傳遞，兩區(qū)域有如下聯(lián)合間隙要求：主吊掛螺栓失效后，備份剪切銷與連接孔接觸，前接頭破損安全銷與連接孔沿航向不發(fā)生接觸。

5 總結(jié)

本文基于破損安全設(shè)計(jì)思想，根據(jù)民用飛機(jī)后緣襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，深入研究了鉸鏈機(jī)構(gòu)和滑軌機(jī)構(gòu)兩種主流襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的破損安全設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)方法，同時(shí)提出了典型富勒襟翼滑軌等待破損安全最小設(shè)計(jì)間隙確定方法，總結(jié)如下：

1)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和損傷容限要求，給出襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)破損安全設(shè)計(jì)要求和不同類型的破損安全結(jié)構(gòu)使用場(chǎng)景；

2)基于裂紋擴(kuò)展方法和主、副結(jié)構(gòu)裂紋獨(dú)立擴(kuò)展的原則，給出了不同類型破損安全結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展曲線、檢查門檻值和重復(fù)檢查間隔的確定方法；

3)針對(duì)鉸鏈襟翼和滑軌襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳力和連接特點(diǎn)，從主、副結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置出發(fā)提出了同位結(jié)構(gòu)和異位結(jié)構(gòu)的分類方式，從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)提出了平板結(jié)構(gòu)和鉸鏈結(jié)構(gòu)的分類方式，同時(shí)給出基于可檢性分類的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)破損安全設(shè)計(jì)流程；

4)給出了典型富勒襟翼滑軌最小安裝間隙和設(shè)計(jì)間隙的定義及確定方法，對(duì)民用飛機(jī)研制具有重要意義。