民用飛機中后機身壁板結構設計分析

馬文博 余 康上海飛機設計研究院結構設計研究部馬文博（1983-）男，遼寧鞍山，碩士研究生，工程師，飛機結構設計。

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民用飛機中后機身壁板結構設計分析

馬文博 余 康
上海飛機設計研究院結構設計研究部
馬文博（1983-）男，遼寧鞍山，碩士研究生，工程師，飛機結構設計。

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重量是衡量飛機設計的重要指標之一，而壁板在民用飛機機身重量中占比很大，壁板設計尤為重要。本文以使用新型鋁鋰合金材料的某型號飛機中后機身壁板為例，研究其結構特點和設計的關鍵點，對民用飛機壁板的設計提供一定的依據(jù)和參考。

民用飛機機身結構中最大的結構單元是壁板（蒙皮和長桁），也是受力最嚴重的結構件，承受著機身彎曲、剪切、扭轉載荷以及座艙壓力等所有主要的載荷作用。機身的大部分載荷都要通過壁板來傳遞，因此壁板的受力形式復雜，不同的部位考慮不同的設計情況。

對于民用飛機來說，重量是衡量設計的重要指標，而壁板在機身結構重量中所占比例很大，壁板的設計尤為重要。本文以某型號飛機中后機身壁板為例，研究其結構特點和設計的關鍵點，介紹了新型材料鋁鋰合金的應用，對民用飛機機身壁板的設計進行分析探討和研究。

結構布置

按照總體布局，某型號飛機中后機身位于主起落架艙后氣密端框與球面框之間，全長約12.7m，前部約5m為單曲率外形的等直段，其余為雙曲率外形的收縮段，整個中后機身全部處于氣密增壓區(qū)。

蒙皮分塊

機身壁板設計時，從理論上壁板應該是完整的，這是最有效且重量輕、連接少的結構形式。但由于材料蒙皮毛料尺寸、工廠制造加工能力等限制因素，無法制造出足夠長度和寬度的蒙皮，因此需要對蒙皮分塊，再機械連接形成筒段，形成機身壁板結構。

某型號飛機中后機身壁板采用典型的金屬薄壁結構，主要由蒙皮、長桁、接頭和開口加強件等構成。共設計了2個工藝分離面，蒙皮縱向、橫向分塊，減小單塊蒙皮的設計尺寸以提高蒙皮零件的可制造性，蒙皮通過機械連接的形式，形成中后機身筒段，圖1所示為蒙皮分塊概貌。

圖1 蒙皮分塊概貌

長桁布置

根據(jù)機身受載特點，上部壁板主要為拉伸疲勞問題，下部壁板為受壓穩(wěn)定性問題，側下部為壓剪復合。布置長桁時考慮縱向構件的綜合、有效利用，提高桶體的結構效率，盡可能降低結構重量。在核定關鍵長桁位置的前提下適當均布長桁，上部長桁間距適當大一些，側面、下部長桁間距相對小一些。

長桁布置原則如下：

a） 為便于系統(tǒng)設備的安裝，機身頂部上零縱位置不布置長桁，頂部長桁的間距應能滿足開口及開口加強結構的空間要求；b） 為便于窗框結構設計要求，根據(jù)總體確定的觀察窗位置和可視面積要求布置窗框上下兩側的長桁；c） 為便于客艙地板的連接，沿客艙地板平面布置一水平長桁；d）中后機身底部與中機身對接處，為機身受壓最嚴重區(qū)域，長桁與中機身龍骨梁一致，以利于縱向載荷的傳遞；e） 蒙皮縱向對縫處的長桁應保持連續(xù)；f） 收縮段長桁最小間距應能使剪切角片與蒙皮至少連接2個緊固件；g） 因零件制造要求，收縮段長桁截面扭轉角不大于15°。

材料選用

結構重量對于飛機來說是一個非常重要的參數(shù)，使用新型輕質材料尤為必要。壁板在機身重量中所占比例很大，如某型號飛機中后機身，壁板占據(jù)了整個中后機身結構重量的45%左右。

鋁鋰合金是一種新型合金材料，具有密度低，比強度和比剛度高，以及裂紋擴展速率較低等特點。新型鋁鋰合金材料較常規(guī)航空鋁合金（2000、7000系列）平均密度低約3%，但彈性模量卻高5%～8%，鋁鋰合金適用于有高強度和低密度需要的飛機結構件，在蒙皮和長桁上使用鋁鋰合金材料將顯著提升機體的結構效率，減輕重量。

由于新材料制造工藝性及使用本身存在的風險性，中后機身壁板采用新材料與常規(guī)航空鋁合金材料相結合的設計方案。單曲蒙皮和長桁采用鋁鋰合金，雙曲蒙皮仍采用常規(guī)鋁合金，具體見表1。

表1 中后機身壁板材料選用

壁板結構設計

以某型號中后機身前段的側壁板、下壁板為典型，對其結構設計和特點進行分析。

蒙皮

因機身剖面上不同部位，蒙皮板受載情況不同，設計時需考慮的側重點也不同。上部蒙皮主要承受拉剪載荷，主要考慮疲勞問題；側下部蒙皮主要承受壓剪復合載荷，下部蒙皮主要承受壓縮載荷，主要考慮壓縮穩(wěn)定性問題。應根據(jù)載荷情況來設計蒙皮厚度，以達到最佳的設計目標。

先根據(jù)增壓載荷下蒙皮的環(huán)向應力，初步得到蒙皮的最小厚度。

圖2 典型縱向搭接

圖3 腐蝕區(qū)域劃分

根據(jù)公式：

式中：

σ—— 蒙皮環(huán)同應力，Mpa；

P—— 增壓艙使用壓差，N；

R—— 機身半徑，mm；

t—— 蒙皮厚度，mm。

在保證最小厚度基礎上，根據(jù)經驗并結合蒙皮各部位的受載情況，給出初始的蒙皮厚度，再根據(jù)多輪全機載荷下有限元計算的裕度結果反復迭代，最終得到優(yōu)的蒙皮厚度。

按等應力設計原則，同一塊蒙皮厚度分布應與有限元計算的應力云圖的趨勢相近，與裕度結果相對應。但因考慮到緊固件锪窩最小深度的限制，框剪切角片等連接區(qū)域蒙皮厚度不小于1.6mm。

在艙門開口區(qū)域，因機身蒙皮不連續(xù)造成應力集中現(xiàn)象，設計時在開口周邊蒙皮加厚，按應力遠離開口區(qū)域厚度逐級遞減。

長桁

長桁是機身受彎曲時，傳遞縱向載荷的主要承力構件，為蒙皮提供縱向支撐，能加強蒙皮的剛度和穩(wěn)定性。

中后機身長桁基本型使用截面為“2”字形的鋁鋰合金擠壓型材。因長桁與蒙皮連接，故外形與蒙皮一致同樣是雙曲率，中后機身收縮段的長桁會有扭轉角。蒙皮縱向搭接區(qū)的長桁設計為“L”形截面，空間開敞性好，便于蒙皮縱向對縫處長桁兩側的鉚接。客艙地板處長桁為“J”字形截面，因與地板面板連接，長桁立邊為平面，不隨著機身外形變化而改變。機身底部與龍骨梁對應區(qū)域，使用的承載能力較強的“T”字形截面長桁。

長桁厚度設計應根據(jù)機身截面不同部位受載特點、大小以及與蒙皮厚度的匹配來確定。上部長桁主要承受拉伸載荷，取與蒙皮匹配的基本厚度。越靠近機身下部受壓載荷越大，沿著環(huán)向長桁逐步加厚，機身最下端為受壓最嚴重區(qū)域，長桁最厚。

下壁板采用長桁分段設計方式實現(xiàn)減重。如機身下部與中機身對接的區(qū)域載荷較大，長桁厚度較厚，但隨著遠離對接區(qū)應力下降明顯，因此通過型材機加減小剖面或打斷長桁，使用對接接頭與厚度較小的長桁對接，能有效減少長桁的重量。

連接

橫向對接

壁板采用橫向對接的形式。在蒙皮分段處，使用對接帶板連接前、后段蒙皮，保持結構連續(xù)性。對于蒙皮分塊處的長桁，在受壓區(qū)一般打斷長桁，再通過對接接頭連接，傳遞縱向載荷；在受拉區(qū)或載荷較小區(qū)域，工藝條件允許的情況也可不斷長桁，通過長桁壓下陷的方式直接通過對接帶板，以減少接頭數(shù)量減輕重量。但在工藝分離面處，長桁均打斷，便于裝配。對接帶板上緊固件的數(shù)量4排或6排，根據(jù)相應位置載荷大小和緊固件大小，通過計算確定。

中后機身對接帶板的寬度由緊固件大小和排數(shù)確定，厚度一般比連接區(qū)蒙皮厚1級，這樣可以使裂紋首先發(fā)生于外蒙皮上，利于檢查發(fā)現(xiàn)和維修，并限制裂紋擴展。

長桁對接接頭一般選用比長桁強度高的鋁合金材料，基本厚度與長桁相近或厚1級。對接接頭設計成變厚度的臺階形式，使載荷均勻傳遞，緊固件應力均勻分布。長桁接頭兩端切出30°～45°的斜角，一方面可降低釘孔的應力集中系數(shù)，另一方面可以降低兩端第1個緊固件的應力峰值，提高疲勞性能。

縱向搭接

蒙皮縱向采用“上搭下”的連接結構形式，蒙皮搭接區(qū)域上平面局部修形，在隔框站位處布置止裂板。搭接區(qū)沿航向布置3排緊固件，在搭接區(qū)中央布置一根“L”形擠壓型材。搭接區(qū)每個框站位處均布置的薄鈦合金止裂板，起到限制蒙皮裂紋擴展的作用，能夠阻止20～40inch長的裂紋擴展。搭接處的三角區(qū)間隙通過鋁合金斜墊片來補償。

腐蝕防護

民用飛機中后機身側壁板、下壁板位于底艙區(qū)域，是機身腐蝕最嚴重區(qū)域，飛機各個艙段排出的水聚集于此，使這些結構呈現(xiàn)出較高的腐蝕風險。一般情況，民用飛機外表面分區(qū)及腐蝕程度劃分定義見圖3。

客艙地板與貨艙地板之間，側壁板為中度腐蝕區(qū)域，貨艙地板以下區(qū)域，下壁板為重度腐蝕區(qū)域。機身結構防腐蝕設計涉及多方面，本文主要探討排水、表面防護和密封。

1）排水。排水設計應當保證腐蝕液體可以直接排到飛機以外，或者聚集在抗腐蝕容器中，待到飛機著陸以后處置。由于冷凝結構元件上形成的少量腐蝕水應當通過排水通路排到飛機底部（艙底），路徑越短越好。

設計壁板時每相鄰框距內，地板以下的長桁上交錯設置排水孔，便于聚集的液體通過，將側部液體引流到機身下部，再通過機身底部的排水閥排出機身。

2）表面防護。針對不同的區(qū)域，采取不同的防腐蝕策略，輕度腐蝕區(qū)域采取一般的保護等級，中度腐蝕區(qū)域的零件采用兩層底漆涂層或一層底漆加一層面漆；嚴重腐蝕區(qū)域的所有零件除底漆外，應當至少一層面漆覆蓋底漆，然后增涂防腐蝕抑制劑。水平線之下的鋁合金零件，需進行鉻酸陽極化。

3）密封：a）穿過氣密線的零件表面均做貼合面密封和填角密封；b）長桁與蒙皮貼合的下陷過渡區(qū)，做填塞密封；c） 緊固件濕安裝：除可拆卸及單獨指定安裝要求的緊固件外，所有非鋁緊固件以及穿過氣密線的全部緊固件（如鉚釘、高鎖螺栓，環(huán)槽釘?shù)龋?，均按進行濕安裝；d） 填角密封：填角密封即使用密封劑填充到處于壓力邊界線上的空腔、間隙等處。同樣，對于貼合面密封的接頭，填角密封應當用于到僅僅通向外部的蒙皮搭接、拼接等。

總結

本文以某型號中后機身壁板為例，從壁板材料選用、結構布置、結構設計和腐蝕防護方面，進行進行了較為詳細深入的研究和總結，對民用飛機壁板的設計提供一定的依據(jù)和參考。

中后機身壁板通過增加設計分離面，實現(xiàn)了新材料鋁鋰合金和成熟的航空鋁合金相結合的方案，既使用鋁鋰合金材料提高了機體效率，實現(xiàn)減重，又在一定程度上降低了項目風險。

10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.033