飛機(jī)地板常用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳力分析

張衛(wèi)文 張松林

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海市浦東新區(qū) 201210

引言

飛機(jī)地板結(jié)構(gòu)主要由地板骨架的縱梁、橫梁和安裝在骨架上的面板組成[1]。如圖1所示。

圖1 飛機(jī)客艙地板結(jié)構(gòu)常用設(shè)計(jì)方案

橫梁一般采用工字型擠壓型材，橫梁支持在框上。當(dāng)?shù)匕迳系膯挝辉O(shè)計(jì)載荷較大時(shí)，這些橫梁要靠縱梁和垂直支柱來支撐。骨架的縱梁同時(shí)還可以作為安裝和固定座椅的滑軌。而地板本身由多塊壁板組成，它們用螺栓固定在骨架上。機(jī)身地板骨架又通過鉸接接頭固定在機(jī)身框上。

地板的面板一般是由上下面板和輕質(zhì)芯材組成的夾層結(jié)構(gòu)，芯材可以是泡沫塑料或其它材料，它們用特制肋條加強(qiáng)以提高剛度，這樣的壁板通常是用專門的鎖固定在骨架上。而有些地板沿縱梁通過位于縱梁下的寬墊片用螺栓將壁板固定在梁上，托板螺帽位于地板骨架上。

下圖2為一個(gè)典型的運(yùn)輸機(jī)機(jī)身內(nèi)部布置圖。地板結(jié)構(gòu)由地板壁板、縱梁、橫向地板梁以及減小地板梁彎矩的底部垂直支柱組成，座艙地板上的座椅導(dǎo)軌（滑軌）不但起加強(qiáng)構(gòu)件的作用，還能使座椅9g的緊急著陸向前撞擊載荷。同時(shí)，客艙地板在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到：其能夠承受下層貨艙在飛行過程中突然出現(xiàn)大開口而產(chǎn)生的降壓時(shí)，在地板結(jié)構(gòu)上引起的壓差載荷。

圖2 典型的運(yùn)輸機(jī)機(jī)身內(nèi)部布置

1 駕駛艙、機(jī)頭地板結(jié)構(gòu)與傳力

駕駛艙地板由橫梁、縱向加強(qiáng)件、金屬板、復(fù)材面板組成；前服務(wù)艙地板由橫梁、縱向加強(qiáng)件、復(fù)材面板組成。面板是復(fù)材，具有較好的彎曲剛度外，有較好的保溫作用。

機(jī)頭地板處于增壓艙內(nèi)部，在增壓艙載荷作用下，一起與增壓艙結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形。主要載荷是駕駛艙和前服務(wù)艙內(nèi)的質(zhì)量塊在應(yīng)急著落中的慣性載荷，質(zhì)量塊與地板的連接都是通過接頭連接，都是集中載荷。還要考慮增壓艙突然出現(xiàn)孔洞引起泄壓，各隔艙之間的壓差載荷。

垂向集中載荷、側(cè)向集中載荷傳遞給地板橫梁，橫梁將載荷傳遞給框（橫梁搭接在框上），框以剪力的形式擴(kuò)散給蒙皮。駕駛艙地板的航向集中載荷傳遞給縱向加強(qiáng)件，縱向加強(qiáng)件通過金屬面板傳遞給兩側(cè)蒙皮。前服務(wù)艙的航向集中載荷傳遞給縱向加強(qiáng)件，縱向加強(qiáng)件與前機(jī)身滑軌相連，將載荷傳遞給前機(jī)身滑軌。

2 機(jī)身等直段地板結(jié)構(gòu)與傳力

前機(jī)身地板主要由橫梁、支柱、滑軌、面板、支撐件、斜桿組成，其處于增壓艙內(nèi)部。在增壓艙載荷、飛機(jī)各飛行和地面載荷作用下，與機(jī)身結(jié)構(gòu)一起協(xié)調(diào)變形。這些情況下，地板組件上的載荷比較小。

而在在應(yīng)急著陸情況下，其載荷較大。此時(shí)客艙艙內(nèi)的座椅及乘客等質(zhì)量塊的慣性載荷傳遞給滑軌，垂向與側(cè)向載荷傳遞給橫梁。貨艙內(nèi)攔阻貨物的攔阻網(wǎng)載荷傳遞給橫梁或支撐結(jié)構(gòu)，橫梁將載荷傳遞給支柱及框?；壣系暮较蜉d荷傳遞給中機(jī)身滑軌，中機(jī)身滑軌固定在中央翼上壁板。

地板組件還要考慮增壓艙突然出現(xiàn)孔洞引起泄壓，各隔艙之間的壓差載荷，該載荷與1g平飛載荷進(jìn)行組合。

3 機(jī)身中段地板結(jié)構(gòu)與傳力

中機(jī)身氣密地板縱梁一般為帶有加筋的擠壓型材組合件，如圖3所示。通常情況下，其主要承受氣密地板波紋板上增壓艙載荷和客貨載引起的垂向剪力與彎矩，以及飛行載荷引起的垂向彎矩和軸向載荷，因此，該縱梁均可按照帶有加筋的彎剪組合梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。

圖3 典型機(jī)身中段地板布置

對(duì)于中機(jī)身氣密地板，增壓艙載荷為其面外均布載荷，以縱梁與橫梁加強(qiáng)件的交點(diǎn)或其中的結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)，按照縱梁與橫梁加強(qiáng)件的剛度將對(duì)應(yīng)區(qū)域范圍內(nèi)的增壓艙均布載荷簡(jiǎn)化為縱梁與橫梁加強(qiáng)件上的節(jié)點(diǎn)集中載荷或節(jié)點(diǎn)之間的線分布載荷。而客貨載為作用在滑軌上的面外多點(diǎn)集中載荷，也可按照縱梁各節(jié)點(diǎn)之間的剛度分配到縱梁上。

通過載荷簡(jiǎn)化后的縱梁結(jié)構(gòu)受力模型如圖4所示。圖4中縱梁端點(diǎn)約束假定為簡(jiǎn)支狀態(tài)，其真實(shí)約束條件要根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的真實(shí)使用狀態(tài)確定。圖中的q1、q2、q3、q4、q5、q6、q7、q8為增壓艙載荷簡(jiǎn)化到縱梁節(jié)點(diǎn)之間的線分布載荷；P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9為客貨載簡(jiǎn)化到縱梁節(jié)點(diǎn)之間的集中載荷；Px為飛行載荷引起的軸向載荷，受拉為正值。受壓為負(fù)值；M為飛行載荷引起的垂向彎矩。

圖4 載荷簡(jiǎn)化后的縱梁結(jié)構(gòu)受力模型示意圖

根據(jù)以上受力模型，利用疊加原理，可以得到縱梁結(jié)構(gòu)沿長(zhǎng)度（跨度）方向的軸力、剪力和彎矩分布。

橫向加強(qiáng)件一般也為擠壓型材。主要承受氣密地板波紋板上的增壓艙載荷和客貨載引起的垂直方向的剪力與彎矩。根據(jù)所處的部位不同，橫向加強(qiáng)件可簡(jiǎn)化為帶有加筋的彎剪組合梁結(jié)構(gòu)和不帶帶有加筋的梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。對(duì)中型運(yùn)輸機(jī)來說，還需考慮突然泄壓造成上、下艙的附加壓差載荷。

飛機(jī)地板滑軌主要承受旅客座椅傳遞的垂向載荷，以及旅客座椅在應(yīng)急著落中的航向慣性載荷，滑軌可簡(jiǎn)化為一個(gè)承受航向慣性載荷和在多支點(diǎn)承受集中垂向載荷的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了駕駛艙與機(jī)頭地板、機(jī)身等直段地板、典型機(jī)身中段地板的結(jié)構(gòu)及其傳力分析。橫梁主要承受垂向集中載荷、側(cè)向集中載荷，縱向加強(qiáng)件主要承受駕駛艙內(nèi)的質(zhì)量塊在應(yīng)急著落中的航向慣性載荷。橫梁和縱向加強(qiáng)件一般為擠壓型材。在飛機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的傳力分析合理設(shè)計(jì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。

[1] 牛春云等.實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì).航空工業(yè)出版社，2008.