一种能够提高飞机抗鸟撞性能的机翼前缘

摘要

一种能够提高飞机抗鸟撞性能的机翼前缘，在机翼前缘内部加入小前梁，排布在该小前梁上的前肋，附加蒙皮紧密贴合，在前缘遭受飞鸟撞击时对前缘蒙皮及附加蒙皮具有较强的支撑作用，增加了结构刚度，尽可能保持结构外形；变形过程中，附加蒙皮会带动前肋发生塑性变形，从而吸收较多的能量。具有倾斜角度的后肋即可以增加结构刚度，还有助于缓冲鸟体冲击、保护梁腹板。本发明充分考虑了飞机结构对重量的要求，对结构重量进行了合理布置，与原始结构相比，前缘蒙皮和肋的厚度减半，用于增加小前梁、附加蒙皮，重新设计翼肋。结构重量比原始结构减重3％，有效提高了机翼前缘的抗抗鸟撞性能。

说明书

技术领域

本发明涉及民用飞机结构设计领域，具体是一种能够提高飞机抗鸟撞性能的机翼前缘。

背景技术

鸟撞事故是指空中飞行的飞机等飞行器与飞行的鸟类相撞所发生的事故。随着民用航空行业的飞速发展，民机鸟撞事故成为民用航空最严重的安全威胁之一。据美联航有关报告显示，1990年到2008年间，美国民航共报告89727起动物与民航飞机相撞事故，其中97.4％是由飞鸟造成的。有关数据显示，飞机的迎风面，包括飞机风挡、雷达罩、发动机、机翼前缘及尾翼前缘是最易受到鸟撞的部位。前缘结构内部常设有油路系统或控制线路，这些内部设施一旦受到鸟撞破坏，灾难性事故就难以避免。因此，解决好飞机机翼前缘抗鸟撞性能的问题关系重大。中国民航总局制定的《运输类飞机适航标准》中第25条631款中明确规定，飞机机翼结构的设计必须保证在飞机在与1.8公斤(4磅)重的鸟相撞之后，仍能继续安全飞行和着陆，相撞时飞机的速度等于飞机在选定海平面的巡航速度。研究表明，在高速撞击下，鸟体表现出明显的流体力学行为。

传统的密肋式机翼前缘遭到飞鸟撞击后，前缘蒙皮难以吸收鸟体撞击的巨大能量，鸟体一般会穿透前缘蒙皮直接撞击前梁结构，对前梁造成较大损伤，威胁飞行安全。目前针对机翼前缘的抗鸟撞设计多采用高强度的复合材料和单纯的夹芯结构。如Alessandro Airoldi等人在相关文献中提到的一种垂尾前缘结构，其外表面采用铝合金材料，内部则采用带蜂窝夹芯的碳纤维复合材料。试验中用4磅的鸟体以270节的速度撞击结构，结构损坏明显。M.A.McCARTHY等人则提出一种前缘蒙皮为FML复合材料的机翼前缘结构。试验中结构承受了4磅鸟体以200m/s的速度进行的撞击，前缘未被击穿但产生巨大变形。最近Michele Guida等人又提出了一种夹芯前缘结构，夹芯结构两层面板分别采用FML复合材料与金属材料，芯层为蜂窝。试验过程中用8磅的鸟体以250节的速度对结构进行撞击，结果前缘并未被击穿，但整个结构产生了极大变形。可以看出，现有结构设计其制作费用极为昂贵，整个结构或被击穿，或产生极大变形，其抗鸟撞效果并不理想。

传统的密肋式机翼前缘内部结构，由前缘蒙皮、肋以及前梁组成。当前缘遭遇鸟撞后，蒙皮出现较大程度撕裂，鸟体进入前缘内部撞击前梁，使前梁产生大塑性变形，威胁飞行安全，如图2所示。

发明内容

为克服机翼前缘在飞鸟撞击后发生剧烈变形甚至蒙皮撕裂、前梁结构产生较大损伤的问题，本发明提出了一种能够提高飞机抗鸟撞性能的机翼前缘。

本发明包括机翼前缘蒙皮、附加蒙皮、前梁、小前梁、多个前肋、多个后肋和两个边肋。其中：所述两个边肋分别固定在前梁两端的上表面。小前梁位于所述两个边肋的上部，并将该小前梁的两端分别与两个边肋的内表面铆接。所述各后肋排列并固定在前梁的上表面与小前梁的下表面之间，并将各后肋斜置，使相邻的两个后肋之间形成“V”形或倒“V”形的夹角；所述夹角的角度均为60°。在所述小前梁的上表面均布有多个前肋。所述各前肋的顶点与所述两个边肋的顶点处于同一水平面上。所述机翼前缘蒙皮铆接在前梁和小前梁的侧表面；附加蒙皮位于前缘蒙皮内侧，铆接在边肋、小前梁和前肋的侧表面上。

所述后肋下底的宽度与前梁上表面的宽度相同；该后肋上底的宽度与小前梁下表面的宽度相同。该后肋四边处均有90°的折边，并且该后肋下底处折边的方向与该后肋上底处折边的方向相反。

所述后肋的前折边和后折边分别位于小前梁和前梁腹板所在平面，并与小前梁腹板和前梁腹板固定连接；侧边的折边与前缘蒙皮连接。

所述小前梁的长度与前梁的长度相同。

所述小前梁的横截面为梯形；该小前梁的两个侧边为与边肋的弧形边一致的弧形边，并且所述小前梁与所连接的边肋的连接部位等宽。

所述的前肋的外形与所述边肋的外形相近似，呈半圆弧状。该前肋底边的宽度与小前梁上表面的宽度相同；该前肋的高度须满足装配后该前肋的弧顶与所述边肋的弧顶处于同一水平面。所述各前肋上均有减轻孔。

本发明在机翼前缘内部加入小前梁。排布在该小前梁上的前肋间距较小，与附加蒙皮紧密贴合，在前缘遭受飞鸟撞击时对前缘蒙皮及附加蒙皮具有较强的支撑作用，增加了结构刚度，尽可能保持结构外形；变形过程中，附加蒙皮会带动前肋发生塑性变形，从而吸收较多的能量。具有倾斜角度的后肋一方面可以增加结构刚度，另一方面有助于缓冲鸟体冲击、保护梁腹板。

本发明充分考虑了飞机结构对重量的要求，对结构重量进行了合理布置，与原始结构相比，前缘蒙皮和肋的厚度减半，用于增加小前梁、附加蒙皮，重新设计翼肋。结构重量比原始结构减重3％，抗鸟撞性能大大提高。

图5为鸟撞数值模拟示意图，图中鸟体为两端为半球形的圆柱体，并用SPH粒子表示。鸟体质量为1.8kg，撞击速度为150m/s。

图7为前缘鸟撞过程。图7a为撞击开始2ms后鸟体和机翼前缘的状态。可以看出，鸟体撞击后呈现流体状态，前缘在撞击下产生凹坑。图7b为撞击开始4ms后鸟体和机翼前缘的状态。可以看出，机翼前缘的凹坑并未产生更大变形，鸟体向机翼外侧逸散。图7中可以看出蒙皮部分区域出现小范围破损，但基本维持了原有形状。

图8为撞击结束后附加蒙皮的变形情况。可以看出附加蒙皮上有凹坑但未被鸟体击穿。

图9为内部结构经受鸟撞击后的情况。可以看出前肋有较大变形以吸收鸟体能量，后肋也有相应变形，由于结构整体刚度较大，撞击后结构基本保持了原有形状，前梁未出现明显损伤。

本发明中，在机翼前缘内部设计了由附加蒙皮、前肋、小前梁和后肋组成的抗鸟撞结构，不会对飞机气动性能造成影响，适用于机翼前缘、尾翼前缘以及飞机上任何可能遭受飞鸟撞击的梁缘部位。

附图说明

图1为现有技术的机翼前缘结构示意图；

图2为现有技术的结构抗鸟撞数值模拟结果变形破坏图，其中图2a为主视图，图2b为左侧视图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为后肋的结构示意图；

图5为边肋的结构示意图；

图6为结构抗鸟撞数值模拟示意图；

图7为变形过程示意图，其中图7a为撞击开始2ms后的状态，图7b为撞击开始4ms后的状态；

图8为撞击后前缘蒙皮变形示意图；

图9为撞击后附加蒙皮变形示意图；

图10为本发明被撞击后蒙皮内部结构的变形示意图。图中：

1.边肋；2.小前梁；3.前梁；4.前缘蒙皮；5.附加蒙皮；6.前肋；7.后肋。

具体实施方式

本实施例是用于某型机的抗鸟撞机翼前缘，包括机翼前缘蒙皮4、附加蒙皮5、前梁3、小前梁2、多个前肋6、多个后肋7和两个边肋2。其中：

所述两个边肋1分别固定在前梁3两端的上表面。小前梁2位于所述两个边肋的上部，并将该小前梁的两端分别与两个边肋的内表面铆接。所述各后肋7排列在前梁3的上表面与小前梁2的下表面之间，并将各后肋斜置，使相邻的两个后肋之间形成“V”形或倒“V”形的夹角；所述夹角的角度均为60°。在所述小前梁2的上表面均布有多个前肋6。所述各前肋6的顶点与所述两个边肋2的顶点处于同一水平面上。所述机翼前缘蒙皮4铆接在前梁3和小前梁2的侧表面；附加蒙皮5位于前缘蒙皮4内侧，铆接在边肋1、小前梁2和前肋6的侧表面上。

所述的后肋7为梯形的钣金件。该后肋下底的宽度与前梁3上表面的宽度相同；该后肋上底的宽度与小前梁2下表面的宽度相同。该后肋四边处均有90°的折边，并且该后肋下底处折边的方向与该后肋上底处折边的方向相反。所述后肋的前折边和后折边分别位于小前梁2和前梁3腹板所在平面，与小前梁2腹板和前梁3腹板固定连接，侧边与前缘蒙皮4连接。在该后肋7的表面有减轻孔。

所述边肋1为钣金件，其形状与现有技术相同。所述边肋上部d点处的宽度与所述小前梁2上表面的宽度相同；所述d点处至该边肋顶点的距离与所述前肋6的高度相同。所述上部d点在该边肋上的位置＝后肋的高度+小前梁2的厚度。

所述小前梁2为矩形的钣金件。该小前梁的长度与前梁3的长度相同。该小前梁的横截面为梯形。该小前梁的两个侧边为与边肋的弧形边一致的弧形边，并且所述小前梁的宽度与所连接的边肋的连接处的宽度相同。

所述的前肋6的外形与所述边肋1的外形相近似，呈半圆弧状。该前肋底边的宽度与小前梁2上表面的宽度相同；该前肋的高度须满足装配后该前肋的弧顶与所述边肋1的弧顶处于同一水平面。所述各前肋上均有减轻孔。

本实施例中，前缘蒙皮4和附加蒙皮5均采用2024-T3铝合金材料，前缘蒙皮4 厚度为1mm，附加蒙皮5厚度为2mm。其余各部件均采用7075-T6铝合金材料，前梁3厚度为5mm，小前梁2、前肋6、后肋7和边肋1的厚度均为1mm。

后肋7与前梁3的夹角为60°，相同方向的后肋7间距为485mm，前肋6与小前梁2垂直，前肋6间距为196mm。前缘蒙皮4、附加蒙皮5与前肋6通过单排铆钉铆接，小前梁2分别与前肋6、后肋7和边肋1通过单排铆钉铆接，前梁3与后肋7、边肋1通过单排铆钉铆接，蒙皮4与小前梁2和前梁3边缘通过双排铆钉铆接，与边肋1通过单排铆钉铆接。所述铆钉采用直径为4mm的高强铆钉，铆钉排列间隔为20mm。

组装时，首先将前缘蒙皮4、附加蒙皮5、前肋6和小前梁2铆接，然后逐一将后肋7分别与小前梁2、前梁3和蒙皮4铆接，再将边肋1与蒙皮4、前梁3和小前梁2铆接。