复合材料机翼液压管路设计影响分析.pdf

2 0 1 3年 5月 第 4 2卷 第 5期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g En g i n e e rin g Ma v． 201 3 Vo 1 ． 4 2 N o ． 5 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 5 5 0 9 X ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 1 3 复合材料机翼液压 管路设计影 响分析 夏鹤鸣， 朴学奎， 范平， 杨化龙 上海飞机设计研究院 液压系统设计研究部 ， 上海 2 1 0 2 0 1 摘要 随着复合材料在民用飞机结构设计中使用比例 的不断提 高， 为适应现代 民用飞机发展 的需 求 ， 研 究了复合材料机翼相对 于传统金属材料机翼在液压 系统设计方面的变化 ， 着重介绍 了液压 管路安装设计 、 闪电防护设计 以及管路应力等方面面临的新挑 战， 并针对这些课题展 开了讨论分 析 。 关键词 复合材料 ； 液压管路 ； 机翼 中图分类号 V 3 7 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 3 0 5 0 0 5 2 0 3 液压能源系统具有 比功率大 、 响应速度 快、 抗 负载刚性 大及 容易控制等特点⋯ ， 为飞机上 飞控 系统、 起落架系统以及反推力系统等负载提供动力 源 ， 是飞机的二次能源之一 ， 在保证 飞机 的飞行 安全上有着非常重要的地位 。液压能源系统 的 用户广泛布置于飞机机翼与尾翼部分 ， 机翼上布置 有大量的液压管路 ， 因此机翼液压管路布局 的合理 性对飞机安全有着巨大的影 响 j 。 复合 材料 具有 质量轻 ， 较 高 的 比强 度、 比模 量 5 J ， 更好 的抗疲 劳 、 抗 腐蚀 特性等许 多优 异特 性 。随着一系列先进复合材料研究技术的转化应 用 ， 民用飞机复合材料的使用 比例逐年提高。大量 应用复合材料可较大幅度地减轻结构质量 ， 降低燃 油消耗 ， 改善飞机的维修性 ， 提高 飞机 的寿命 和安 全性。 目前 ， 波音 B 7 8 7和空客 A 3 5 0客机 的复合 材料的使用比例都超过 了 5 0 ％。人们对复合材料 研究的不断深入 ， 其使用部位逐渐 由飞机的次承力 构件 向更为复杂的机翼 、 机身等主承力构件转移 。 在机翼区域复合材料的使用 比例不断提高的同时， 给机翼区域液压管路 的布置带来 了一 系列新的课 题。本文主要从液压管路的安装设计 、 闪电防护 以 及管路应力分析等角度进行了探讨。 l 复合材料机翼上液压管路的安装设计 现代飞机机翼翼 型正 向薄翼 型发展 ， 机翼 内部空间逐渐变小 ， 同时适航条款对机翼上液压能 源系统安全性的要求逐渐提高， 对各子系统之间冗 余设计要求越来越高。因此， 液压能源系统设计逐 渐采用在翼盒 内与机翼后缘均布置液压管路的方 案 ， 例如 A 3 2 0与 E R J 1 9 0就在翼盒 中布置 了一套 液压管路 ， 后缘布置 了两套 ， 我国 自主研制的新型 支线飞机也采用 了类似布置。基于这样 的布置方 案 ， 液压管路在机翼上需要穿过外翼 、 中央翼的前 、 后梁 ， 隔板以及肋板等结构件 ， 并固定在肋板 、 长桁 等结构件上 ， 典型的安装形式如图 1 所示。 图 1 某型飞机液压管路安装的结构形式 机翼上液压能源系统管路 的安装设计需要对 结构进行开孔 ， 典型连接形式一般有 以下两种 a ． 液压管路安装 固定在结构件上。液压管路 通过支架安装于结构件上， 需要在结构件上加工管 路支架的紧固件孔。 b ． 液压管路穿过结构件 。可分为两种 情况 1 液压管路穿过密封区， 一般采用过框接头 ， 该 类型过框接头直径较大， 并且多根管路并行， 需要 在复合材料上布置多个孔 ； 2 液压管路穿过非密 封 区， 一般多根管路并行通过结构件 ， 需要在结构 件上布置较大的通过孔。 由于复合材料机翼与传统金属机翼材料特性 不同， 复合材料开孔会切断复合材料纤维， 破坏了 收稿 日期 2 o 1 2一l O一 0 8 作者简介 夏鹤鸣 1 9 8 3 一 ， 男， 江苏如皋人， 上海飞机设计研究院工程师， 硕士， 主要从事民用飞机液压能源系统的设计工作。 52 - 2 0 1 3年第 3期 夏鹤鸣 复合材料机翼液压管路设计影响分析 原有应力和变形的连续性 ， 由此产生的应力集中使 复合材料结构强度降低 ， 因此复合材料开孑 L 相对于 金属机翼要更为复杂。其 中 口中紧固件 的结构开 孑 L ， 由于该类型开孔直径较小 ， 可以在复合材料上 直接开孔 ， 一般无需进行补强。 而 b中的通过孔 ， 目 前一般采用的解决措施是 首先对机翼的复合材料 使用情况进行合理配置 ， 在需要通过较多管路 的位 置仍采用传统的金属结构 ， 便于各 系统 的安装设 计 ； 第二 ， 复合材料密封区同一个位置集中开孔时 ， 采用金属 口框补强形式 ， 管路通过孔在金属件上进 行加工， 避免在复合材料结构件的同一个位置多次 开孑 L ； 第三 ， 尽量减少采用卫星孔较多的过框接头 ， 降低在复合材料上的开孔数量。 2 复合材料机翼上液压管路的闪电防护设 计 据统计 ， 每年平均有一架飞机因雷击而失事 。 闪电发生时 ， 闪电直接效应 能量密度大 ， 一旦附着 在飞机外表面， 会造成机翼表面灼伤 ， 甚至穿透薄 蒙皮引燃燃油蒸汽发生爆炸 。间接效应产生的电 磁场通过耦合和传导的方式进入到飞机 电子系统 ， 损坏设备或降低系统性能 。由于复合材料的电传 导性 比传统金属材料差 ， 阻性远高于铝合金 ， 电磁 屏蔽性能下降 ， 闪电电流与静 电泄放不 良， 闪电的 直接与间接效应防护 已成为复合材料飞机研制 的 重中之重。 液压能源系统设计时 ， 首先 ， 避免将元件与管 路布置于闪电附着区以及扫略区 ， 降低闪电直接效 应的影响。如果布置于该区域， 结构设计必须保证 闪电不能击穿设备安装处的蒙皮而直接附着于元 件上 ， 并能通过闪电直接效应试验 的验证。 目前 ， 对于闪电直接效应 ， 复合材料机翼普遍采用在结构 铺层外部提供高导 电率的涂层或者增加铜网的解 决办法 ， 建立闪电先导与 回击电流的主通道 ， 实现 闪电电流在机体表面流通。其次， 通过仿真实验计 算 出闪电附着后传导到机体 内部液压管路上 的电 流值 ， 以确定液压管路与油箱内壁面最小间距以及 电搭接的方式 、 搭接点阻值要求和搭接点之间的间 距要求。基于以上输入条件对燃油箱内管路进行 优化布置 ， 并且通过试验进行验证。 目前针对复合材料机翼 ， 液压能源系统管路设 计时主要考虑将闪电电流隔离在油箱之外 ， 液压能 源系统 管路 布置 时逐渐采 用新 型 的管 路连 接件 隔离接头 替代传统的管路连接件， 该种新型接 头 由金属材料和复合材料组成 ， 典型的结构形式如 图 2所示 。管路设计时将隔离接头布置于管路进 出机翼油箱的位 置以及燃油箱 内部。该种新型接 头金属法兰一侧与结构件充分接触 ， 形成 良好的搭 接通路 ， 闪电电流优先通过结构件传导到飞机 ， 中 间为复合材料 ， 电阻值大 ， 可 以有效地降低 闪电作 用在管路上的电流 ， 其简化电路图如图 3所示 ， 其 中 R 为隔离接头的阻值。通过合理的布置隔离 接头可有效地避免闪电对液压能源系统中电气设 备造成危害 ， 避免液压管路因闪电引起局部过热 ， 或因放 电造成燃油箱爆炸 ， 以符合 C C A R 2 5 ． 9 8 1中 的燃油箱点燃防护要求 ， 该方法 已经在 B 7 8 7得到 应用。 图2隔 离接头形式 材料 图 3 隔 离接 头工作原理 3 复合材料机翼上液压管路的应力分析 液压能源系 统 的设计 需满 足 C C A R 2 5 ． 1 4 3 5 a 2 、 3 的适航要求 能承受设计使用压力和作 用于其上的结构限制载荷 而不产生妨碍其预定功 能的变形 ； 能无损坏地承受 1 ． 5倍的设计工作压力 与合理地可能同时产生 的结构极 限载荷 的组合载 荷。 目前 民用飞机液压能源系统管路材料进行如 下配置 回油管路采用铝合金管材 6 0 6 1一T 6 ， 材 料 规 范 为A MS 4 0 8 3 ，压 力 管 路 采 用 钢 管 2 1 C r 6 N i 9 Mn 或钛管 T i 一3 A 1 2 ． 5 V ， 钢管材料 规范为 A MS 5 5 6 1 ， 钛管材料规范为 A MS 4 9 4 5 。 为适应飞行过程中气动力下机翼结构的变形， 液压能源系统管路布置时有以下解决办法 1 管 路安装采用支架与机翼结构连接， 使管路与机翼结 构变形协调。 2 液压管路 支撑 布置 间距根据 管 53 ∞ 2 0 1 3年第 4 2卷 机械设计与制造工程 径的不 同进行合理分布。 3 液压管路在一定距 离内进行适度弯曲， 以储存变形余度。 4 采用比 管径大千分之二的定位卡箍来适应机翼变形 。 由于复合材料机翼和金属材料机翼 的变形量 不同， 基于以上管路材料以及 布置 的基础设计后 ， 需进一步对复合材料机翼 中管路开展专 门的应力 分析， 验算管路材料选用是否要进行适 当调整。确 保分析结果 中， 管路 和支架不出现较大应力 ， 各方 向的变形协调 ， 保证管路不产生大的局部变形 ， 且 变形后不与周边结构干涉。 4 复合材料机翼上液压能源系统的散热 液压能源系统工作时会产生大量的热量 ， 机翼 燃油箱是液压能源系统散热的重要通道 ， 液压能源 系统通过辐射和对流将热量传给燃油 ， 燃油再通过 结构进行散热 ， 因此必须考虑适航条款 C C A R 2 5 ． 9 8 1中的燃油箱点燃 防护要求 。由于复合材料和 金属材料的传热性能不一样， 需要建立新的散热模 型进行分析 ， 以保证 液压能源系统在工作过程 中， 处于机翼燃油箱 中的管路温度满足燃油 系统 的温 度要求 ， 避免液压管路成为点火源。 5 结束语 本文结合液压系统管路设计特点 ， 给出了液压 系统管路在复合材料机翼上设计难点的解决思路， 对今后液压系统管路在复材机翼上 的设计有一定 的指导意义。随着复合材料在飞机上 的应用 比例 增加 ， 液压系统需逐步开展复材机翼上液压管路闪 电防护试验研究、 液压管路热应力仿真研究等工 作 。 参考文献 [ 1 ] 郦正能． 飞机部件与系统设计[ M] ． 北京 北京航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 王 占林． 飞机高压液压能源系统 [ M] ． 北京 北京航 空航 天大 学 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 李艳军． 飞机液压传动与控制[ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 夏鹤鸣， 范平， 韩定邦． 民用飞机机翼液压管路设计探讨[ J ] ． 机械制造 与自动化 ， 2 0 1 2 ， 4 1 2 3 23 3 ． [ 5 ] 苏云洪 ， 刘秀娟， 杨永志． 复合材料在航空航天中的应用[ J ] ． 工程与试验 ， 2 0 0 8 1 2 3 6 3 8 ． [ 6] 肖翔 ， 夏雨冰 ， 姜逸民． 超薄翼型上液压系统 布置的设计分析 [ J ] ． 民用飞机设计与研究， 2 0 1 0 1 2 6 8 ． [ 7 ] 中国民用 航空 总局． C C A R一2 5一R 3运输类 飞机 适航 标准 [ s ] ． 北京 中国民用航空总局， 2 0 0 1 ． The An a l y s i s o f Hy dr a u l i c S y s t e m Tub i n g De s i g n i n Co mp o s i t e W i ng XI A He mi n g，P I AO Xu e k u i ，F AN P i n g，YANG Hu alo n g S h a n g h a i A i r c r a f t D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S h ang h a i ， 2 1 0 2 0 1 ， C h i n a Ab s t r ac t Th e wi d e a p p l i c a t i o n o f t h e i n c r e a s e d p r o p o r t i o n o f c o mp o s i t e ma t e ria l s i n t he c i v i l air c r a f t s t r u c t u r e d e s i g n i s c h a n g i n g t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s o f air c r aft s y s t e m．I t i n t r o d u c e s t h e n e w c h a l l e n g e a b o u t t h e h y d r a u l i c p o we r s y s t e m i ns t all a t i o n，l i g h t n i ng p r o t e c t i o n，t u b i n g s tre s s a n a l y s i s ，p r o v i d e s s o me s o l u t i o n s ． Ke y wo r d s C o mp o s i t e ；Hy d r a u l i c T u b i n g；Wi n g 5 4