直升机客货舱系留装置结构设计分析

直升机客货舱系留装置结构设计分析直升机客货舱系泊装置的结构设计分析关键词：客货舱，直升机，结构设计，装置，分析直升机客货舱系留装置结构设计分析本文简介：直升机作为一款能够垂直起降、空中悬停，且对起降场地要求不太严苛的飞行器，在医疗救助、抢险救灾和应急物质运输方面发挥着不可替代的作用。由于直升机设计轻量化要求，及蜂窝夹层复合材料结构形式独特，具有单质材料不具备的高比强度和比刚度特点，蜂窝夹层结构在直升机机身结构设计中所占比例逐渐增高。封闭的等边六边形直升机客货舱系留装置结构设计分析本文内容：直升机作为一款能够垂直起降、空中悬停，且对起降场地要求不太严苛的飞行器，在医疗救助、抢险救灾和应急物质运输方面发挥着不可替代的作用。由于直升机设计轻量化要求，及蜂窝夹层复合材料结构形式独特，具有单质材料不具备的高比强度和比刚度特点，蜂窝夹层结构在直升机机身结构设计中所占比例逐渐增高。封闭的等边六边形蜂窝结构，能以最少的材料获得最大的承载能力，而蜂窝夹层板的弯曲刚度却与同厚度实心板相差不大，重量却轻约70%。国内对直升机自身路基和舰面系留研究较多，如李书等人根据舰载直升机系留索的受力特点，推导了系留索的张力计算表达式，利用遗传算法对系留点的位置进行了优化。而对直升机舱内系留研究相对较少，本文针对某型运输直升机客货舱蜂窝夹层复合材料地板系留装置使用需求，对系留装置进行结构设计，并通过试验方式验证承载能力。结构设计直升机飞行姿态多变且受客货舱舱内空间限制，设计一种系留角度可调、承载能力强的系留装置显得十分必要。基于金属蜂窝夹层结构复合材料地板系留装置结构设计如图1所示，图中立柱能绕地板法向旋转，叉耳和系留环能绕销轴2和销轴1旋转，形成一套能够多自由度运动满足15°～90°系留的系留装置，各部件材料如表1所示。考虑蜂窝夹层结构不利于直接传递系留集中载荷的特点，需利用蜂窝夹层结构预埋金属碗型件的方式将集中载荷扩散，如图2所示。而蜂窝夹层结构法向承载能力较弱，仅能传递面内载荷，因此在系留装置结构设计时，采取在碗型件底部设置纵梁传递蜂窝夹层结构法向载荷，碗型件与纵梁通过4个螺栓连接。纵梁与碗型件连接区对梁突缘和腹板进行局部加强，消弱应力集中的不利影响；同时在纵梁上设计加强筋，形成双角形角盒，利于地板法向载荷扩散，如图3所示。为避免系留环处于未使用状态时暴露于地板面以上，利用叉耳转接件使系留环在不使用时能够折叠放置于碗型件内。理论应用将系留环等效为等剖面圆形环，强度计算时假设：圆环的剖面高度比其半径小得多；剪力和轴向力引起的变形与弯矩引起的变形比较起来可忽略不计；剪流的作用线与圆环剖面的中性轴线重合。系留环受载示意图如图4所示，系留环受到径向对拉载荷。如图7~图8所示，地板四周与夹具通过螺栓连接，夹具四周固支；地板与梁通过螺栓连接；梁两端上下突缘、腹板通过螺栓与夹具连接，试验夹具设计如图9所示。为保证系留环不与地板接触，系留角度需不小于15°，15°系留角度时蜂窝夹层地板受载最严酷，90°系留角度时梁受载最严酷，因此选择15°和90°系留角度进行试验验证。地板系留装置试验件－碗型件在中央试验件90°加载和15°加载各1件，用于验证两个极限系留角度的承载能力，地板系留装置试验件－碗型件在边界试验件类似，试验实施情况如图10所示。对试验件分别逐级加载至33.5kN、50kN、60kN，试验后试验件照片如图11至图13所示。试验结构表明：当试验载荷逐级加载至33.5kN，卸载后经目视检查发现试验件各部件均未发现有害的塑性变形；当试验载荷逐级加载至50kN，卸载后经目视检查发现系留环变形、销轴弯曲以及地板与夹具安装处镶嵌件发生挤压变形；当试验载荷逐级加载至60kN时，叉耳发生塑性断裂。结语本文设计了一套满足多角度系留要求的蜂窝夹层地板系留装置，并通过试验验证其承载能力。避免了以往直升机客货舱系留装置对系留角度要求严苛和承载能力较弱等不利缺点；使用中操作简单，具有快速系留和卸载特点，满足直升机快速装载和卸载货物的要求。蜂窝夹层地板系留装置具有普遍适用性，除直升机外可在大型固定翼飞机货仓货物系留等方面推广。作者：李林杰王宇龙健辉单位：中国直升机设计研究所