复合材料机翼液压管路设计影响分析.pdf

2013年5月
机械设计与制造工程
第42卷第5期
Machine Design and Manufacturing Engineering
「o,42No,S
DOI:10.3969/j.issn.2095-509X.2013.05.013
复合材料机翼液压管路设计影响分析
夏鹤呜,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210201)
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:V37
文献标识码:A文章编号:2095-509X(2013)05-0052-03
液压能源系统具有比功率大、响应速度快、抗渐采用在翼盒内与机翼后缘均布置液压管路的方
负载刚性大及容易控制等特点リ,为飞机上飞控案,例如A320与ERI190就在翼盒中布置了一套
系统、起落架系统以及反推力系统等负载提供动力液压管路,后缘布置了两套,我国自主研制的新型
源,是飞机的二次能源之一2?,在保证飞机的飞行支线飞机也采用了类似布置。基于这样的布置方
安全上有着非常重要的地位。液压能源系统的案,液压管路在机翼上需要穿过外翼、中央翼的前
用户广泛布置于飞机机翼与尾翼部分,机翼土布置后梁,隔板以及肋板等结构件,并固定在肋板、长桁
有大量的液压管路,因此机翼液压管路布局的合理等结构件上,典型的安装形式如图1所示。
性对飞机安全有着巨大的影响4。
复合材料具有质量轻,较高的比强度、比模
过框接头的安装
量,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
长桁上的安装
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
图1某型飞机液压管路安装的结构形式
全性。目前,波音B787和空客A350客机的复合
材料的使用比例都超过了50%。人们对复合材料
机翼上液压能源系统管路的安装设计需要对
研究的不断深入,其使用部位逐渐由飞机的次承力
结构进行开孔,典型连接形式一般有以下两种
构件向更为复杂的机翼、机身等主承力构件转移。
a.液压管路安装固定在结构件上。液压管路
在机翼区域复合材料的使用比例不断提高的同时
通过支架安装于结构件上,需要在结构件上加工管
给机翼区域液压管路的布置带来了一系列新的课
路支架的紧固件孔。
题。本文主要从液压管路的安装设计、闪电防护以
b.液压管路穿过结构件。可分为两种情况
及管路应力分析等角度进行了探讨。
(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
1复合材料机翼上液压管路的安装设计
在复合材料上布置多个孔;(2)液压管路穿过非密
现代飞机机翼翼型正向薄翼型发展?,机翼封区,一般多根管路并行通过结构件,需要在结构
内部空间逐渐变小,同时适航条款对机翼上液压能件上布置较大的通过孔。
源系统安全性的要求逐渐提高,对各子系统之间冗
由于复合材料机翼与传统金属机翼材料特性
余设计要求越来越高。因此,液压能源系统设计逐不同,复合材料开孔会切断复合材料纤维,破坏了
收稿日期:2012-10-08
作者简介夏鹤鸣(1983-),男,江苏如皋人,上海飞机设计研究院工程师,硕土,主要从事民用飞机液压能源系统的设计工作。
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2013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源系统管路布置时逐渐采用新型的管路连接件
复合材料结构强度降低,因此复合材料开孔相对于(隔离接头)替代传统的管路连接件,该种新型接
金属机翼要更为复杂。其中a中紧固件的结构开头由金属材料和复合材料组成,典型的结构形式如
孔,由于该类型开孔直径较小,可以在复合材料上图2所示。管路设计时将隔离接头布置于管路进
直接开孔,一般无需进行补强。而b中的通过孔,目出机翼油箱的位置以及燃油箱内部。该种新型接
前一般采用的解决措施是:首先对机翼的复合材料头金属法兰一侧与结构件充分接触,形成良好的搭
使用情况进行合理配置,在需要通过较多管路的位接通路,闪电电流优先通过结构件传导到飞机,中
置仍采用传统的金属结构,便于各系统的安装设间为复合材料,电阻值大,可以有效地降低闪电作
计;第二,复合材料密封区同一个位置集中开孔时,用在管路上的电流,其简化电路图如图3所示,其
采用金属口框补强形式,管路通过孔在金属件上进中Rso为隔离接头的阻值。通过合理的布置隔离
行加工,避免在复合材料结构件的同一个位置多次接头可有效地避免闪电对液压能源系统中电气设
开孔;第三,尽量减少采用卫星孔较多的过框接头,备造成危害,避免液压管路因闪电引起局部过热,
降低在复合材料上的开孔数量。
或因放电造成燃油箱爆炸,以符合CAR25.981中
的燃油箱点燃防护要求,该方法已经在B787得到
2复合材料机翼上液压管路的闪电防护设应用。
计
据统计,每年平均有一架飞机因雷击而失事。
复合材料
闪电发生时,闪电直接效应能量密度大,一且附着
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,
图2隔离接头形式
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
直接貲间接效应防护已成为复合材料飞机研制的
图3隔离接头工作原理
重中之重。
液压能源系统设计时,首先,避免将元件与管3复合材料机翼上液压管路的应力分析
路布置于闪电附着区以及扫略区,降低闪电直接效
液压能源系统的设计需满足CCAR25.1435a
应的影响。如果布置于该区域,结构设计必须保证(2)、(3)的适航要求?:能承受设计使用压力和作
闪电不能击穿设备安装处的蒙皮而直接附着于元用于其上的结构限制载荷而不产生妨碍其预定功
件上,并能通过闪电直接效应试验的验证。目前,能的变形;能无损坏地承受1.5倍的设计工作压力
对于闪电直接效应,复合材料机翼普遍采用在结构与合理地可能同时产生的结构极限载荷的组合载
铺层外部提供高导电率的涂层或者增加铜网的解荷。
决办法,建立闪电先导与回击电流的主通道,实现
目前民用飞机液压能源系统管路材料进行如
闪电电流在机体表面流通。其次,通过仿真实验计下配置:回油管路采用铝合金管材(6061-T6),材
算出闪电附着后传导到机体内部液压管路上的电料规范为AMS4083,压力管路采用钢管
流值,以确定液压管路与油箱内壁面最小间距以及(21C6N9Mn)或钛管(Tiー3Al-2.5V),钢管材料
电搭接的方式、搭接点阻值要求和搭接点之间的间规范为AMS5561,钛管材料规范为AMS4945。
距要求。基于以上输人条件对燃油箱内管路进行
为适应飞行过程中气动力下机翼结构的变形,
优化布置,并且