一种民用飞机货舱泄压装置的设计分析

张晓刚

【摘 要】民用飞机货舱快速泄压装置是对飞机增压舱发生突然泄压情况下的一种安全保障，其能够防止飞机上不同密闭区域之间产生过大的压差，避免结构损坏。本文通过对一种柔性结构泄压装置进行有限元分析，探索泄压装置在不同安装预紧力下打开的临界压力值，从而为货舱泄压装置的设计提供参考。

【关键词】货舱；泄压；有限元分析

0 前言

民用飞机货舱应急泄压是飞机内饰结构设计时需考虑的一个问题，其在适航要求中也有具体条款，CCAR25.365（e）。在飞机结构及货舱结构设计时需考虑机体结构在突然出现泄压的情况下，货舱及货舱与机体结构直接的空腔应能保证结构整体安全。若要考虑突然泄压后由货舱内饰结构承担泄压后的载荷，则货舱结构需设计较强从而增加飞机重量，为了保证货舱结构安全且能减轻重量，故需要在货舱增加快速泄压装置。从而满足CCAR25.365（e）条款的要求。

货舱泄压板的作用为：在发生结构破洞时防止货舱与三角区之间压差载荷达到结所能承受的上限值。

本文基于以上考虑，采用有限元非线性逐步加载的方式，分析计算了快速泄压板在随着载荷增大的过程中多长时间能打开，从而减小货舱结构的载荷。对不同预紧力对泄压装置的打开时间影响进行了分析，为后续泄压装置的安装、调整提供了参考。

1 泄压装置结构

初始设计泄压装置为柔性抽出结构，如图1所示。此装置的工作原理为：板载压力作用下从压条抽出，完成泄压功能。压条由螺栓固定在货舱结构上。

图1 泄压装置结构

2 有限元模型建立

根据结构模型建立有限元模型，模型四周固支，压差载荷逐步加载到图1中红色区域内，螺栓预紧力预先加载在各螺栓上。有限元模型如图2所示。

图2 泄压装置有限元模型

3 有限元分析结果

计算分两步，第一步隐式计算螺栓预紧力，分别计算50N，100N，150N螺栓预紧力下的压紧情况及结构周边应力；第二步显式计算增压过程中泄压板的一个变化过程，此计算步保持了隐式计算中预紧力计算结果。此两步计算能较真实的模拟泄压板在增压过程中的动态变化情况及周边结构应力变化过程。

3.1 取螺栓预紧力50N，摩擦系数0.26，则初始螺栓预紧力分布15.44MPa，显示计算冲开时间为0.004s，此时增压为0.02MPa，如图3所示。

图3 预紧力为50N时的结果

3.2 取预紧力100N，摩擦系数0.26，则初始螺栓预紧力分布29.8MPa，冲开时间为0.012s，此时增压为0.06MPa，如图4所示。

图4 预紧力为100N时的结果

3.3 预紧力150N，摩擦系数0.26，则初始螺栓预紧力分布46.28Mpa，冲开时间为0.014s，此时增压为0.07MPa，如图5所示。

综上3种不同预紧力情况下的泄压板打开的临界压力，可以看出在摩擦系数相同的情况下，临界压力随预紧力的增大而增大，但随着预紧力的增大，临界压力增加逐渐变小并趋近于某一值。

4 结论

本文通过对一种民用飞机货舱快速泄压装置在不同预紧力作用下，逐步寻找柔性泄压板抽出的临界压力值，找出预紧力与泄压临界值的关系从而为货舱泄压装置的结构设计、螺栓预紧力的选择等提供参考。

【参考文献】

[1]牛春匀.实用飞机结构工程设计[M].北京：航空工业出版社，2008.

[2]Erdogan F，Wu BH. The Surface Crack Problem for a Plate with Functionally Graded Properties[J].ASME Journal of Applied Mechangics，1997，64：449-456.

[3]Zienkiewicz OC，Taylor RL.The finite element method，Vol.1：The basis[M]. The fifth edition.Butterworth-Heinemann，2000.

[责任编辑：张涛]