機身開口加強檻梁兩種結(jié)構(gòu)對比

袁寧寧 郭沛欣

?

機身開口加強檻梁兩種結(jié)構(gòu)對比

袁寧寧 郭沛欣

針對機身開口加強結(jié)構(gòu)中的檻梁結(jié)構(gòu)，對整體檻梁和組合檻梁這兩種結(jié)構(gòu)形式進行了對比分析。首先介紹檻梁結(jié)構(gòu)在機身上的位置，對檻梁結(jié)構(gòu)的受載進行了分析和總結(jié)。然后通過從傳力、重量、制造三個方面對這兩種梁進行了詳細的對比分析。從而總結(jié)出組合截面梁傳力效率高，重量輕，材料利用率高、制造修理方便的優(yōu)點，更加適用于民機的設(shè)計。

本文艙門的開口，常常設(shè)在機身的重要承載部位，這些開口破壞了機身原來受力結(jié)構(gòu)的完整性、連續(xù)性，開口周圍的載荷將發(fā)生變化，重新分布。因此必須對開口處結(jié)構(gòu)采取加強措施。一般來說，艙門根據(jù)使用要求和承受載荷的能力分為“堵塞式”和“非堵塞式”兩類。堵塞式艙門從里面關(guān)閉以保證密封增壓飛機的安全，如旅客艙門及服務(wù)艙門。此類艙門開口除了在開口區(qū)域墊于蒙皮內(nèi)側(cè)或外側(cè)的鋁合金加強板之外，在開口的上、下、前、后分別布置了一根薄壁組合梁。這種結(jié)構(gòu)將承受由于飛行條件而引起的機身剪力和彎曲力，以及由于座艙壓力而引起的環(huán)向張力和縱向張力。而位于登機門開口上下兩側(cè)的加強梁結(jié)構(gòu)通常被稱為檻梁。本文主要研究處于客艙門或應(yīng)急門開口的檻梁結(jié)構(gòu)。

檻梁結(jié)構(gòu)形式介紹

1）整體檻梁的結(jié)構(gòu)形式

整體檻梁是梁緣條、腹板和加強筋不需要任何連接而形成一體的梁。一般由熱軋厚板或鍛造毛坯經(jīng)數(shù)控機械加工實現(xiàn)，主檻梁與輔梁采用連接條帶連接，框與檻梁也用角片連接，如圖1所示。

2）組合檻梁的結(jié)構(gòu)形式

組合檻梁的形式如圖2所示。主要由梁緣條、腹板、接頭組成，上下緣條一般由L形擠壓型材機械加工制造。梁腹板由軋制板材經(jīng)機械加工或化學(xué)銑切制造。隨著復(fù)合材料的發(fā)展，復(fù)合材料逐漸被用作腹板的材料。緣條與腹板采用緊固件連接，根據(jù)檻梁的使用情況和設(shè)計要求選用緊固件。

圖1　整體檻梁

圖2　組合檻梁

檻梁的受力分析

檻梁位于機身大開口的上下兩側(cè)。開口的存在導(dǎo)致開口周圍的載荷重新分布。目前主要考慮以下四種設(shè)計載荷情況：

A）機身蒙皮剪切——考慮各種飛行條件

B）切斷桁條載荷——考慮各種飛行條

C）縱向和周向拉伸載荷——機艙增壓條件

D）帶銷座的插塞式艙門——機艙增壓條件

來自機身蒙皮開口附近的常剪流傳遞至加強框與檻梁上；切斷桁條后，機身彎曲帶來的載荷在開口處也將重新分布。切斷桁條上的載荷經(jīng)過了一個框隔間的距離后，傳遞至開口兩側(cè)的主檻梁上。切斷桁條載荷引起的附加剪流；而由于座艙增壓帶來的載荷重新分布對于檻梁的影響主要有以下幾種：1）座艙增壓引起開口兩側(cè)壁板中的縱向張力引起上下主檻梁內(nèi)的拉伸載荷；2）開口區(qū)四角處的壁板內(nèi)的剪流也引起檻梁中軸向載荷的增加；3）環(huán)向張力會引起檻梁內(nèi)的彎矩，并且檻梁對邊緣框會有支反力；4）角板的固定引起隔框與檻梁之間的徑向載荷。

對兩種檻梁結(jié)構(gòu)進行對比

目前民用飛機多采用組合截面檻梁，如B777，B787均大量采用組合截面的梁。組合截面梁相對于傳統(tǒng)的整體檻梁有很多優(yōu)勢，下面從三個方面進行闡述。

1）傳力更加直接，傳力效率更高

整體機加檻梁通過連接帶板連接，連接形式截面如圖3所示。梁中的剪流從左側(cè)梁的緣條通過緊固件傳給剪切角片，然后再通過緊固件傳給右側(cè)梁的緣條；

組合檻梁中的剪流直接從緣條傳遞，如圖4所示，相對于整體機加檻梁的傳力更加直接。

2）重量更輕，材料的使用效率更高

由工程力學(xué)中慣性矩的計算可知，槽型截面的緣條面積對慣性矩的貢獻較大，腹板的截面積對慣性矩的貢獻較小，慣性矩與梁的彎曲剛度有關(guān)。適當(dāng)減少腹板的厚度在對彎曲剛度影響很小的情況下可減輕結(jié)構(gòu)的重量。

金屬機加件對于材料的厚度有最小尺寸的要求，對于整體機加檻梁來說，若通過減小厚度來減輕重量，腹板厚度不能低于1.6mm，則減重有限。

而對于組合截面梁，腹板不僅可以使用金屬材料也可采用復(fù)合材料，腹板采用復(fù)合材料的檻梁形式已在B787上應(yīng)用。而采用復(fù)合材料的檻梁，重量更輕。另外組合截面梁的腹板和緣條采用不同的材料可以充分利用不同材料的特性，取長補短，使結(jié)構(gòu)達到最佳承力效果。

3）生產(chǎn)制造及修理更加方便

圖3　整體檻梁的傳力

圖4　組合檻梁的傳力

如圖2所示，腹板和緣條是獨立的，不同框之間的腹板也是獨立的，這給維修和生產(chǎn)帶來很大方便。若出現(xiàn)較大的損傷，也可直接更換。另外，在生產(chǎn)制造過程中，主體結(jié)構(gòu)經(jīng)常有與其他系統(tǒng)件協(xié)調(diào)的需求，為協(xié)調(diào)系統(tǒng)件的位置，需要主結(jié)構(gòu)避讓。而組合截面的檻梁則體現(xiàn)出優(yōu)勢，開孔避讓更加方便。

結(jié)語

從上面的比較可知，無論從傳力效率，材料利用率還是從生產(chǎn)制造方面比較，組合截面梁明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的整體檻梁，另外整體檻梁阻止裂紋的擴展能力也較差。所以在民機設(shè)計過程中，應(yīng)優(yōu)先考慮組合截面檻梁的結(jié)構(gòu)形式。

袁寧寧 郭沛欣

上海飛機設(shè)計研究院

袁寧寧（1989－）女，漢，江蘇省徐州市，上海飛機設(shè)計研究院助理工程師，碩士。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.008