飛機(jī)普通框及其對接形式的分析

胡 斌 石鵬飛 劉世群

（中航工業(yè)股份有限公司 漢中飛機(jī)分公司設(shè)計(jì)研究院，陜西 漢中723000）

0 引言

現(xiàn)代運(yùn)輸機(jī)機(jī)身均為由橫向隔框、縱向長桁或梁和蒙皮組合而成的半硬殼式結(jié)構(gòu)。而橫向隔框的結(jié)構(gòu)形式，縱向構(gòu)件的剖面形狀，不同區(qū)域蒙皮的狀態(tài)，以及蒙皮與隔框、縱向構(gòu)件的連接形式，采用何種結(jié)構(gòu)形式的連接剪力片、止裂板的配置及其諸構(gòu)件布置是否合理，對于結(jié)構(gòu)能否減緩裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，能否充分發(fā)揮每個結(jié)構(gòu)件的材料潛能，都會產(chǎn)生較大的影響，因此機(jī)身結(jié)構(gòu)形式的確定及其構(gòu)件之間連接方式的選擇是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中很重要的環(huán)節(jié)。

通常機(jī)身結(jié)構(gòu)都是采用簡單、可靠性強(qiáng)、風(fēng)險小而且經(jīng)過了實(shí)踐考驗(yàn)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式和連接方式，采用損傷容限、耐久性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同時在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上采取各種抗疲勞裂紋的設(shè)計(jì)措施， 以提高結(jié)構(gòu)抗開裂、腐蝕及意外損傷的能力，從而提高結(jié)構(gòu)的耐久性。主要結(jié)構(gòu)還應(yīng)盡可能采用多路傳力的結(jié)構(gòu)布局和止裂技術(shù)，從而提高結(jié)構(gòu)壁板的損傷容限特性。

目前美國的波音公司和歐洲的空中客車公司的系列飛機(jī)機(jī)身均為半硬殼式結(jié)構(gòu)，但是機(jī)

身結(jié)構(gòu)中的普通框的組合結(jié)構(gòu)形式又都各不相同。但這些結(jié)構(gòu)形式都滿足適航條例的要求，而且也都經(jīng)過了大量試驗(yàn)驗(yàn)證和長期飛行實(shí)踐的考驗(yàn)，證明是成功的設(shè)計(jì)，具有良好的抗疲勞開裂、抗腐蝕和抗意外損傷的結(jié)構(gòu)品質(zhì)。

麥道系列飛機(jī)機(jī)身的普通框是。由Z 形剖面和L 形剖面板彎件鉚接而成，框緣為不直接與蒙皮相連的“浮框式”，L 形剪切角片與蒙皮相連可起到一定的止裂作用，以防止在環(huán)向應(yīng)力作用下縱向裂紋的擴(kuò)展。但框緣直接與長桁彎邊相連，在座艙增壓時，被連接的長桁彎邊會因偏心而易產(chǎn)生裂紋。 波音飛機(jī)（如波音747）的機(jī)身結(jié)構(gòu)使用了框、角片分別與帽形長桁的直邊兩側(cè)相連，就很好地解決了麥道飛機(jī)存在的上述問題，并且用框加強(qiáng)型材的方式很好地補(bǔ)償了由于長桁通過給框腹板帶來的開口削弱，也就防止了框腹板開口處裂紋的產(chǎn)生。 而空中客車系列飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)則是利用L 形板彎件與框桁角片合二而一的剪力片，將蒙皮、框腹板和長桁連接起來。 經(jīng)過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，它不但具有與波音、麥道飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)同樣的功能，而且減少了零件的數(shù)量，便于協(xié)調(diào)、裝配。 烏克蘭的安-12 飛機(jī)采用了S 形剖面和L 形剖面板彎件鉚接而成，框緣同樣為不直接與蒙皮相連的“浮框式”，用角片將框腹板和長桁立邊連接。

1 框的布置

普通框是機(jī)身橫向骨架的主要構(gòu)件， 通常情況下在機(jī)身的等剖面段，即機(jī)身的前中段和后中段，都是以508mm(20in)或483mm(19in)沿機(jī)身縱向等間距布置的。 在等剖面段等間距普通框的布置不但有利于工藝而且在以后的機(jī)身座艙需要加長或縮短時，都會帶來很大的方便。

在機(jī)身與機(jī)翼前、后梁對接框之間，即機(jī)身中央翼段，普通框的布置受到總體布局、翼上應(yīng)急出口安排的限制，應(yīng)按照實(shí)際結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行布置。

機(jī)身前段則采用密框距布局，主要是由機(jī)身前段的載荷狀態(tài)和駕駛艙風(fēng)擋構(gòu)型而確定，其框距大約在250-310mm 不等。

機(jī)身后段的普通框的布置比較復(fù)雜，它主要受到水平尾翼和垂直尾翼總體布局的影響，考慮尾翼與機(jī)身的連接、尾翼的結(jié)構(gòu)布置，甚至機(jī)身尾部發(fā)動機(jī)的安裝等因素，除了正常布置的普通框外，在垂直尾翼連接區(qū)域還會布置斜框。

多數(shù)普通框都是Z 形和L 形剖面的板彎件組合體， 其材料為2024-T42 或LY12-CZ， 材料厚度， 機(jī)身上部普通框厚度比下部小一級。普通框的結(jié)構(gòu)剖面尺寸主要取決于框的結(jié)構(gòu)剛度不會引起機(jī)身的總體失穩(wěn)。

2 安-12 飛機(jī)普通框框緣具體分為兩種

一種是S 形板彎構(gòu)成；另一種框緣是由2 個型材和腹板組成的S形框。 在壁板裝配中由于壁板分塊、工藝要求等元嬰需要對普通框分段，并在分段處進(jìn)行對接；連接件一般用LY12 材料的帶班和連接板。

因框緣形狀的不同，具體對接形式也不一樣，連接形式也不一樣，總的說來，分為以下幾種：

2.1 板彎框緣與板彎框緣的對接

板彎框緣與板彎框緣在長桁處對接，內(nèi)框緣外側(cè)用一長條形帶板連接，外框緣在彎邊內(nèi)側(cè)用角材連接，補(bǔ)償片延伸至下一長桁邊緣處，以保證框緣腹板面的連接。

2.2 型材框緣與板彎框緣在長桁處對接

型材框緣與板彎框緣在長桁處對接， 內(nèi)框緣外側(cè)用連接板連接，外框緣處在板彎框緣與型材框緣立邊外側(cè)用連接板連接；補(bǔ)償片延伸至卜,一長桁邊緣處，以保證框緣腹板面的連接；在補(bǔ)償片上，框緣對接處連接一加強(qiáng)板，以增加對接處腹板強(qiáng)度。

2.3 型材框緣與型材框緣的對接

型材框緣與型材框緣在長桁處的對接形式與型材框緣與板彎框緣的對接形式類似，內(nèi)框緣外側(cè)用連接板連接，外框緣處在型材框緣立邊外側(cè)用連接板連接；補(bǔ)償片延伸至下一長桁邊緣處，以保證腹板面的連接；在補(bǔ)償片上對接處連接一個加強(qiáng)板，以增加對接處腹板強(qiáng)度。

3 校核對接強(qiáng)度

框緣對接是典型的板彎框緣與板彎框緣的對接，內(nèi)框緣外側(cè)是由材料為LY12-δ3 的鋁合金連接板和3 個Φ4 鉚釘連接，外框緣內(nèi)側(cè)是由材料為LY12-δ2 的鋁合金角材和3 個Φ4 鉚釘連接。

Φ4 鉚釘許用剪切載荷[P]=314kg

根據(jù)強(qiáng)度報(bào)告，內(nèi)框緣σ1=509.4kg/cm2

內(nèi)框緣面積A1=0.57cm2

單個鉚釘剪力P1=σ×A1/3=509.4×0.57/3=96.8kg

單個鉚釘剩余強(qiáng)度系數(shù)η=[P]/P1=314/96.8=3.24

外框緣σ2=287.2kg/cm2

外框緣面積A2=0.57cm2

單個鉚釘剪力P2=σ×A2/3=287.2×0.57/3=54.6kg

單個鉚釘剩余強(qiáng)度系數(shù)η=[P]/P2=314/54.6=5.75

因此，此處對接強(qiáng)度滿足要求。

［1］飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊:第9 冊 載荷、強(qiáng)度、剛度[M].航空工業(yè)出版社.