满足刚度约束的筒形机身防火墙结构设计研究

艾 森，罗利龙，常 亮，聂小华

(中国飞机强度研究所 计算结构技术与仿真中心，陕西 西安 710065)

1 引 言

通用飞机机身增压舱段是飞机的关键部段之一，主要由前端防火墙、后端增压框及筒形机身侧壁板组成[1,2]。其中，前端防火墙的作用是将机身头部的发动机与驾驶舱分隔，在发动机出现失火的情况下，阻断火势蔓延，保证驾驶舱内人员安全，避免机毁人亡的事故发生[3]。因此，防火墙的结构设计历来是工程设计人员重点关注的问题之一[4]。

一般而言，飞机在飞行过程中，机身增压舱主要承受内压载荷而向外膨胀，造成防火墙隔框向外变形。如果变形过大，将会和前端发动机组件发生干涉，影响各部分组件的正常使用。因此，防火墙结构的受力特点决定了其结构设计空间极为苛刻。本文针对某通用飞机的筒形机身增压舱进行分析，确定防火墙结构的刚度/强度特性，并且在不满足刚度要求的情况下，对防火墙开展了尺寸及布局设计，取得了较好的设计效果。本文提供的研究思路可供通用飞机结构安全性、经济性设计提供参考。

2 筒形机身建模及总体分析

图1为某型通用飞机中机身增压舱段，从防火墙平面到后增压框。其中，防火墙由“井”字形的横、竖筋条及背板组成，后增压框为球面框。整体舱段使用航空铝合金材料。

图1 机身增压舱段布置图

为掌握筒形机身的总体强度/刚度特性，通过建立有限元模型对危险工况下的结构特性进行分析研究。总体有限元模型依据筒形机身理论外形及框、梁、长桁参考面布置节点，机身蒙皮、框腹板采用壳单元模拟，机身长桁、框缘条及框筋条采用梁单元模拟。图2为筒形机身总体有限元模型，模型共包含932个节点，2355个单元，其中壳元953个，梁元1402个。

图2 筒形机身总体有限元模型

沿航向X方向，防火墙框前与发动机支架连接，必须满足变形要求，防止与发动机机架结构发生干涉。防火墙后为驾驶舱，主要承担舱内压力载荷。为考核防火墙的结构力学性能，选取增压工况作为分析工况。舱段内压通过在蒙皮单元施加面压实现，并约束翼身连接点。

通过建立以上有限元模型，并施加内外载荷和相应的边界条件，对筒形机身进行总体分析。筒形机身在增压工况下的位移及应力云图分别如图3、图4所示。

图3 增压工况位移云图

图4 增压工况MISES应力云图

(1)从结构强度性能来看，筒形机身在增压工况下的最大MISES应力265MPa，出现在增压工况防火墙下端。防火墙采用牌号为7050的铝合金，相对而言，分析获得的防火墙结构强度能够满足使用要求。

(2)从刚度性能来看，在增压工况下，筒形机身最大位移为146mm，出现在防火墙中间节点。由前述可知，防火墙前与发动机支架相连接，要求最大变形不超过20mm。显然，目前分析出的刚度特性不满足设计要求，必须重新对防火墙结构进行设计。

3 防火墙结构设计与分析

由于防火墙结构在初始几何参数及构型设计下的刚度不满足要求，需对结构进行重新设计。设计主要分为两步：第一步，尝试在不改变当前结构布局的情况下，通过调整几何参数来满足刚度要求；第二步，在第一步尝试失败的情况下，通过进行布局设计、改变结构构型的方式来满足刚度要求。

3.1 防火墙结构几何参数优化

考虑对防火墙框的几何参数进行优化设计。优化变量选取腹板厚度和加筋截面面积，初始防火墙框面板厚度为2mm，加筋截面为23×2的矩形梁，变量上限定义为2倍初值(其中，加筋只优化筋条厚度)。在优化过程中，施加框腹板中点航向位移小于20mm的位移约束，以满足刚度要求。

以防火墙重量最小为优化目标，采用数学规划法进行几何尺寸的优化设计。经过4步优化过程的迭代后收敛，所有变量均达到上限值，优化后增压工况下防火墙框的位移如图5所示。

(a)优化前位移 (b)优化后位移图5 防火墙结构几何尺寸优化前后位移

由优化结果可见，优化前重量为8.63kg，优化后重量为15.89kg，重量几乎增加一倍，但防火墙框中心点位移只从143mm，降到57.4mm，远不能满足要求。因此，在可接受的增重范围内对防火墙框只调整几何尺寸已经不能满足刚度约束的要求，必须考虑通过调整结构布局来满足刚度要求。

3.2 防火墙结构布局设计

根据防火墙框承载形式，重点讨论3种结构布局形式，以实现使其在可接受的重量范围内满足刚度要求。

3.2.1 “米”字形加筋形式

相比初始的“井”字形加筋形式，“米”字形能够为面板提供更强的面外刚度。如图6所示，设计为“米”字形加筋以后，防火墙框的重量为10.02kg，而最大位移变为64.2mm。

(a)“米”字形加筋布置 (b)位移云图图6 防火墙“米”字形结构

在该结构形式下，结构增重有限，位移仍然没有得到控制，而且筋条布置已经非常稠密，如果再通过增加高度或厚度来提升刚度，一方面会使结构重量快速增加，另一方面对壁板整体机加成型造成了困难。

3.2.2 球面框形式

球面框在承受内压载荷时相比平面壁板优势明显，故考虑在设计空间允许的情况下，尝试将防火墙框设计为球面框。由于发动机支架连接的部位必须保持平面，在内压作用下防火墙结构变形后航向位移不能超过20mm，且不能与前面结构干涉，故只能在防火墙中心取一部分框结构进行球面化设计，防火墙框球面化设计空间及有限元模型如图7所示。球面最高点距离原来框平面46mm，球面距离发动机支架连接耳片的最近距离为4mm，框主要加筋与机身长桁对接。

(a)防火墙框球面化设计 (b)球面化有限元模型图7 防火墙框球面化设计及有限元模型

图8为防火墙框球面化后的位移云图。可以看到，改为球面框后，结构位移得到了明显改善，此时结构重量为12.04kg，相比初始设计，增重3.41kg。但是在查看与发动机连接耳片最近的节点时发现，其航向位移为9.2mm，超过初始间距4mm，变形后结构发生干涉，且最大变形出现在平面框与球面框连接处，平面框对整体变形影响较大。要满足防火墙框刚度要求，平面框部分的刚度需要继续增加，重量也会随之增加。为有效控制结构重量，需开展其它方案研究。

图8 防火墙框球面化后的位移云图

3.2.3 辐射状筋条形式

筒形机身后端增压框一般做成球面，且筋条辐射状布置，均是为了更好地利用筋条的轴向拉伸刚度。受此启发，尝试将防火墙框的筋条按机身长桁布置改为辐射状，并以加筋截面的长、宽以及面板厚度为设计变量，开展尺寸优化，最终得到框面板厚度由2mm改为3mm，加筋由原来的23×2改为30×4，如图9所示。

(a)防火墙框辐射加筋布置 (b)位移云图图9 防火墙框辐射加筋形式

此时结构最大位移为18.7mm，出现在框平面最中间节点，满足刚度要求，结构重量为13.25kg，相比初始设计增重4.62kg。在该方案下，结构以有限的重量代价实现刚度补偿，很好地满足了设计要求，而且对于防火墙框整体机加的工艺性也没有限制。综上所述，该方案为防火墙框的最优设计方案。

4 结 论

本文针对某通用飞机筒形机身的防火墙结构进行了设计，首先对筒形机身的总体刚度和强度进行了初始评估，分析结果表明，防火墙结构在增压工况下变形较大，可能与发动机支架发生干涉。为保证防火墙结构的正常使用，采用优化设计的方法对防火墙结构进行了尺寸和布局设计。结果显示：

(1)在初始构型的基础上，只对结构的几何尺寸进行设计，难以满足刚度约束的要求，且重量增加明显。

(2)对比了“米”字形加筋、球面框、辐射状筋条等3种布局形式，分析表明，辐射状筋条布局形式在牺牲有限重量的代价下，可很好地满足结构刚度设计要求。此方案可作为该型飞机防火墙结构的优选构型。