民用飛機(jī)機(jī)身中段的設(shè)計(jì)與分析

孫健宇

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究部，上海201210）

民用飛機(jī)機(jī)身中段的設(shè)計(jì)與分析

孫健宇

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究部，上海201210）

機(jī)身中段是民用飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)最重要的大部段之一，其位于機(jī)身、機(jī)翼和主起落架三者交匯的核心位置。機(jī)身中段的設(shè)計(jì)直接影響全機(jī)結(jié)構(gòu)的傳力、重量、布置等。介紹了目前國外民用客機(jī)主力機(jī)型所采用的中機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的分析和比較。總結(jié)歸納出民用飛機(jī)中機(jī)身結(jié)構(gòu)的一般結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)方法，用以指導(dǎo)我國大型民用客機(jī)的研制。目前國內(nèi)某型號(hào)客機(jī)已采用所介紹的中機(jī)身結(jié)構(gòu)形式，已得到初步驗(yàn)證。

機(jī)身中段；翼身對(duì)接；機(jī)身對(duì)接；龍骨梁

現(xiàn)代民用客機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)按照工藝分離面［1］一般可分為機(jī)頭、機(jī)身前端、機(jī)身中段、機(jī)身后段和機(jī)身尾段五部分。機(jī)身前端、機(jī)身后段屬于“典型段機(jī)身”，兩者有著相同的機(jī)身剖面，結(jié)構(gòu)形式較為單一，即蒙皮-長桁和機(jī)身框組成的半硬殼［2］桶段式結(jié)構(gòu)。而機(jī)身中段屬于“特殊段機(jī)身”，其結(jié)構(gòu)形式較為獨(dú)特，也具備特殊的結(jié)構(gòu)功能。

機(jī)身中段（以下簡稱中機(jī)身）位于整個(gè)飛機(jī)的“大十字交叉處”，機(jī)身、機(jī)翼和主起落架三者在此交匯和連接，下部還要連接翼身整流罩以滿足機(jī)翼與機(jī)身結(jié)合處的氣動(dòng)外形要求。因此中機(jī)身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、與其它部段的連接協(xié)調(diào)界面眾多，設(shè)計(jì)難度較大，如圖1所示。

圖1　機(jī)身中段示意圖

從傳力角度上說，中機(jī)身位于整個(gè)飛機(jī)的“載荷中樞”位置，全機(jī)的載荷（機(jī)身載荷、機(jī)翼載荷）都在此段匯集和平衡。因此該處是機(jī)身載荷最大、最復(fù)雜的區(qū)域，且疲勞現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整、合理的傳力通路以實(shí)現(xiàn)載荷的平衡與傳遞是在設(shè)計(jì)中機(jī)身結(jié)構(gòu)時(shí)需要首先考慮的因素。

對(duì)于中機(jī)身結(jié)構(gòu)，應(yīng)該遵循從整體到局部，從概要設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的原則，即先設(shè)計(jì)中機(jī)身的整體結(jié)構(gòu)方案，再在其基礎(chǔ)上進(jìn)行分解，逐一確定各個(gè)子部件方案，繼而完成整個(gè)設(shè)計(jì)過程。本文即是按照以上思路對(duì)民用飛機(jī)中機(jī)身一般結(jié)構(gòu)布置形式和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹，用以指導(dǎo)我國大型民用客機(jī)的研制。

1　中機(jī)身結(jié)構(gòu)的基本布置形式

中機(jī)身最主要的特殊性在于：它不同于典型段機(jī)身的“全桶段”結(jié)構(gòu)，而屬于“半桶段”結(jié)構(gòu)。其下部是中央機(jī)翼和主起落架艙而不是機(jī)身壁板，并且是非增壓區(qū)，同時(shí)還需要布置一個(gè)很強(qiáng)的龍骨梁來承受全機(jī)的軸向載荷。典型的中機(jī)身結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　中機(jī)身結(jié)構(gòu)示意圖

首先應(yīng)確定中機(jī)身的基本結(jié)構(gòu)布置形式。在目前民用飛機(jī)領(lǐng)域，不同制造商（若波音、空客、龐巴迪等）以及同一制造商的不同機(jī)型（短程、中程、遠(yuǎn)程），其中機(jī)身的具體結(jié)構(gòu)方案可謂千差萬別，但其基本結(jié)構(gòu)布置形式卻是基本一致的。通過參考各個(gè)主流飛機(jī)機(jī)型后，總結(jié)出如下中機(jī)身基本結(jié)構(gòu)形式。

中機(jī)身結(jié)構(gòu)主要包括上壁板、側(cè)壁板、中央翼上框、主起艙上框、中央翼前梁框、中央翼后梁框、前后氣密端框、主起艙氣密板、地板梁和龍骨梁等十大模塊。其中前端框、中央翼盒、主起艙氣密板、后端框等4個(gè)模塊組成了中機(jī)身段的氣密界面［3］。該氣密界面以上為機(jī)身增壓區(qū)，此界面以下為非增壓區(qū)。上壁板、側(cè)壁板、框（中央翼和主起艙上框）組成了機(jī)身增壓區(qū)的半硬殼式結(jié)構(gòu)；前對(duì)接框和后對(duì)接框用于中機(jī)身和前、后機(jī)身的對(duì)接；中央翼前、后梁框是最重要的兩個(gè)主承力框，其負(fù)責(zé)將機(jī)翼的升力傳遞至機(jī)身；地板梁是整個(gè)客艙商用載荷（座椅、乘客、行李）的支撐平臺(tái)；龍骨梁用來承擔(dān)整個(gè)機(jī)身彎矩引起的大軸向力。

確定基本結(jié)構(gòu)形式后，就可以構(gòu)建一個(gè)初步的中機(jī)身模型，然后對(duì)此進(jìn)行受力分析、載荷計(jì)算繼而進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2　中機(jī)身的傳力分析

在初步建立中機(jī)身結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，可以先對(duì)其進(jìn)行整體受力分析，再逐一分析各個(gè)重要模塊的受載。

首先將中機(jī)身段作為一個(gè)整體考慮。如果把中機(jī)身從整個(gè)飛機(jī)隔離出來看，它與前機(jī)身、中后機(jī)身、外翼連接，也就是說明，中機(jī)身要承受這三個(gè)部段傳遞來的載荷。如圖3所示。

圖3　中機(jī)身整體受力示意圖（航向）

在前端，其承受前機(jī)身傳來的向下剪力P前機(jī)身和彎矩W前機(jī)身；在后端則承受后機(jī)身傳來的向下剪力P后機(jī)身和彎矩W后機(jī)身；在翼盒前梁框和后梁框處承受外翼傳來的剪力，包括前梁剪力P翼前梁和后梁剪力P翼后梁；在翼盒周圈承受外翼傳來的扭矩T外翼。以上所有載荷在中機(jī)身平衡，可以得到以下方程。

P前機(jī)身+P后機(jī)身+P翼前梁=P翼后梁（力平衡）

P前機(jī)身×L+P翼前梁×L+W前機(jī)身+T外翼

=W后機(jī)身+P后機(jī)身×M（力矩平衡）

中機(jī)身在前后梁框處都承受較大的載荷。由以上方程及圖3可知，后梁框所受的垂向載荷P翼后梁是唯一向上的載荷，它與其它三個(gè)向下的垂向載荷P前機(jī)身、P后機(jī)身、P翼前梁達(dá)到平衡，其載荷數(shù)值是三者之和，故后梁框承受的垂向載荷最大。

以上載荷是中機(jī)身作為獨(dú)立部段所受的主要外部載荷。接下來需要分析這些外部載荷是如何傳遞到中機(jī)身內(nèi)部的各個(gè)結(jié)構(gòu)模塊中，最后達(dá)到總體平衡，這樣便于下一步對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體的分析如下。

（1）如圖4，前機(jī)身整體的向下剪力P前機(jī)身主要由前機(jī)身側(cè)向蒙皮通過前對(duì)接框以剪流形式q1傳遞到中機(jī)身的側(cè)向蒙皮；同理，后機(jī)身整體的向下剪力P后機(jī)身主要由后機(jī)身側(cè)向蒙皮通過后對(duì)接框以剪流形式q2傳遞到中機(jī)身的側(cè)向蒙皮。

圖4　中機(jī)身主要模塊的受載示意圖

（2）外翼后梁傳遞來的向上垂向載荷P翼后梁通過后梁框以剪流形式q4傳遞到中機(jī)身后梁區(qū)域的側(cè)壁板上；外翼前梁傳遞來的向下垂向載荷P翼前梁通過前梁框以剪流形式q3傳遞到中機(jī)身前梁區(qū)域的側(cè)壁板上。

（3）前機(jī)身整體彎矩W前機(jī)身主要以前梁框區(qū)域的上下部軸向力F1來傳遞，其中上部軸向力傳遞給中機(jī)身上半部壁板，而下部軸向力則傳遞給龍骨梁前端。

（4）后機(jī)身整體彎矩W后機(jī)身也以后對(duì)接框區(qū)域上下部軸向力F3來傳遞，上部軸向力傳遞給中機(jī)身上半部壁板，下部軸向力則傳遞給龍骨梁后端。

（5）外翼扭矩T外翼的一部分需要通過中央翼盒上下緣條的水平剪力來平衡，翼盒上緣條的水平剪力最終傳遞給機(jī)身側(cè)壁板，而翼盒下緣條的水平剪力通過翼盒下壁板最終傳遞給龍骨梁形成軸向力，即F2.以上三個(gè)軸向力最終在龍骨梁上平衡，即F1+F2=F3.

綜上，在中機(jī)身基本結(jié)構(gòu)中，所受載荷較大的模塊有前梁框（前對(duì)接框）、后梁框、后端框（后對(duì)接框）、機(jī)身側(cè)壁板和龍骨梁。

3　中機(jī)身的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

龍骨梁是中機(jī)身乃至全機(jī)的“脊柱”，主要承受整個(gè)機(jī)身前后彎曲產(chǎn)生的巨大軸力，主要是壓縮載荷，按穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。龍骨梁主要由上下壁板、左右側(cè)壁板和中間肋組成。壁板傳遞大部分的軸力，中間肋增加受載穩(wěn)定性［4］。壁板和肋都需要設(shè)置圓形開口，便于維護(hù)與可達(dá)，如圖5所示。龍骨梁下壁板需要設(shè)計(jì)喇叭形端部與前后壁板連接，保證載荷均勻擴(kuò)散。

圖5　龍骨梁示意圖

前梁框、后梁框和后端框是中機(jī)身最重要的三個(gè)框，也是最強(qiáng)的三個(gè)框。前后梁框分別連接在中央翼盒的前后梁平面上，如圖6所示。由于所受靜載荷、疲勞載荷都很嚴(yán)重，其零件設(shè)計(jì)一般采用模鍛工藝。框下部與中央翼盒連接，框上部和側(cè)部與機(jī)身壁板連接，便于將外翼的垂向載荷與扭矩傳遞給機(jī)身。

后端框的下半框是個(gè)完整的氣密腹板，腹板上布置較強(qiáng)的縱橫加強(qiáng)筋，用于承受氣密載荷，如圖6所示。后端框可以采用鈑金組合式，也可以采用整體機(jī)加工藝。后端框和后對(duì)接框可以分為兩個(gè)框，也可以是同一個(gè)框。

圖6　中機(jī)身前后梁框與后端框

中機(jī)身的壁板一般分為三部分：上壁板、左右側(cè)壁板和左右下側(cè)壁板，如圖2所示。壁板由蒙皮、長桁組成。長桁剖面一般為Z字型或帽形擠壓型材，主要承受拉壓軸向力。蒙皮采用化銑形式，在高應(yīng)力區(qū)加厚，主要承受剪切力。蒙皮從上至下逐步加厚，因?yàn)橄聜?cè)壁板區(qū)域靠經(jīng)中央翼和前后梁框，需要傳遞較大的載荷。

4　結(jié)束語

中機(jī)身對(duì)于全機(jī)結(jié)構(gòu)起到“承前啟后，匯集載荷”的作用，對(duì)飛機(jī)的飛行安全和結(jié)構(gòu)效率有重大的影響。由于所受載荷十分嚴(yán)重且復(fù)雜，中機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)首先考慮其傳遞載荷與結(jié)構(gòu)效率，其次考慮工藝性、維修性和經(jīng)濟(jì)性等技術(shù)要求。在參考了目前幾種主流民用客機(jī)型號(hào)的基礎(chǔ)上，本文總結(jié)和歸納了一般中機(jī)身結(jié)構(gòu)的總體布置形式和結(jié)構(gòu)方案，對(duì)國內(nèi)民用客機(jī)的研制具有指導(dǎo)意義。

［1］范玉青.現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001：24-27.

［2］王昂，毛德華高占民，等.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊第10冊［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2000：218-219.

［3］牛春勻.實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2008：83-85.

［4］牛春勻.實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及尺寸設(shè)計(jì)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2009：197-198.

The Design and Analyse of the Center fuselage of the CivilAircraft

SUN Jian-yu
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute of Structural Design，Shanghai201210，China）

Themiddle part of the body is themost important part of the body structure of civil aircraft，duan zhiyi，which is located in the body，wings and main landing gear of the intersection of the core position of the three.The middle section of the design directly affects the structure of the wholemachine transmission，weight，layout，etc.. This paper introduces the structural design of the main body of the foreign civil aircraft，and the corresponding analysis and comparison.In order to guide the development of the large civil aircraft in our country，the general structure and design method of the fuselage structure of civil aircraft are summed up.At present，a domestic model of the aircraft has been introduced in the form of body structure，has been a preliminary validation.

center fuselage；wing-fuselage junction；fuselage-fuselage junction；keel beam

V222

A

1672-545X（2016）05-0079-03

2016-02-06

孫健宇（1980-），男，江蘇南京人，碩士研究生，工程師，研究方向：飛行器設(shè)計(jì)。