半硬殼式金屬機身桶體結(jié)構(gòu)布置方法

李柯楠　陸丹

【摘 要】本文以典型半硬殼式金屬機身桶體結(jié)構(gòu)為研究對象，根據(jù)機身受載情況給出典型的機身桶體結(jié)構(gòu)布置形式。

【關(guān)鍵詞】半硬殼式；機身桶段結(jié)構(gòu)布置

0 前言

機身是飛機的最主要承力結(jié)構(gòu)之一。按飛機的總體布置，機身的剖面是一個有相當高度和寬度的兩端收縮的桶體。廣泛使用的民用飛機機身都是由一系列框支撐的加筋蒙皮壁板構(gòu)成。研究機身的配置是一個涉及面廣直接影響結(jié)構(gòu)效率的十分重要的核心問題。

1 機身通體概述

在民用飛機設(shè)計中，針對機身的幾何形狀和受力特點，機身桶體配置的要素有三個方面，首先是蒙皮的厚度；其次是加筋件（長桁或梁）的數(shù)量、面積及分布；而后是支持框的剛度與框的分布間距。機身結(jié)構(gòu)一般選擇結(jié)構(gòu)效率高的由薄壁蒙皮、加筋長桁、支承框構(gòu)成的典型的半硬殼式結(jié)構(gòu)形式，主要的受力構(gòu)件蒙皮和長桁都盡可能布置在遠離中心軸的外形邊上，以獲得最高度結(jié)構(gòu)效率，如圖1。

2 材料選擇

材料選擇主要考慮零件工作狀態(tài)的應(yīng)力形式，一般受拉區(qū)域的結(jié)構(gòu)件選擇抗疲勞性能好和裂紋擴展速率低的材料。

對于金屬機身桶段設(shè)計，蒙皮通常采用2000系列的鋁合金，現(xiàn)在也可以選擇力學性能更好的鋁鋰合金，對增壓艙蒙皮絕對不能選擇7000系列的鋁合金。長桁可根據(jù)受力的大小選擇2000系列或者7000系列的鋁合金?？蛟诟鱾€不同部位剖面應(yīng)力狀態(tài)不盡相同，有的部位為受拉區(qū)，有的部位為受壓區(qū)，切面上有彎矩。可都選用2000系列鋁合金，也可在主要為受壓工作狀態(tài)的下部選用7000系列鋁合金。

3 機身桶體結(jié)構(gòu)布置

3.1 蒙皮

機身蒙皮的厚度需要考慮承受軸向力、二個方向剪切力、二個方向的彎矩、扭矩及座艙壓差載荷的作用下有足夠的強度與適當?shù)膭偠龋涔ぷ鲬?yīng)力應(yīng)該小于元件允許的許用應(yīng)力。飛機各部位受載情況不一致，在不同的位置的蒙皮應(yīng)該配置不同的厚度才能獲得較高的結(jié)構(gòu)效率。因此，在設(shè)計中通常采取的方法是：

a）首先按照蒙皮的主要工作狀態(tài)選擇一個最小的蒙皮厚度，作為蒙皮厚度的基點；

b）而后再考慮各處不同的承載要求，分區(qū)進行必要的加厚。

民用飛機機身的大部分是增壓艙，增壓艙的蒙皮需要承受氣密載荷，蒙皮面內(nèi)應(yīng)力有環(huán)向應(yīng)力τyz和縱向應(yīng)力σx，如2所示，其中環(huán)向應(yīng)力為縱向應(yīng)力的2倍，其大小分別為：

τyz=ΔpR/t，σx=ΔpR/2t

由于氣密載荷是反復(fù)加載的疲勞載荷，因此在保證規(guī)定的使用壽命時，對于蒙皮的應(yīng)力必須進行有效的控制。通常的做法是通過適當控制的1G狀態(tài)的工作應(yīng)力水平，以保證飛機有一定的工作壽命。

因此，對于增壓艙，一般用一個規(guī)定的1ΔP工作狀態(tài)的應(yīng)力，以確定機身蒙皮的最小厚度，一般可以將1ΔP工作狀態(tài)下的應(yīng)力控制在70MPa～100MPa。使用環(huán)向應(yīng)力σ=ΔPR/t來估算蒙皮化銑區(qū)最小厚度t，機身截面中不同半徑的蒙皮區(qū)域需分開處理。具體設(shè)計時還需兼顧考慮與其它載荷組合的影響。

3.2 框

機身結(jié)構(gòu)中的框?qū)C身桶體起支撐作用。框的剛度與框間距離的選擇也對蒙皮厚度的選擇有一定的影響。一般的旅客機和運輸機框的間距離在16～21英吋之間，縮小框間距離，增加框的密度，則可以明顯降低此附加彎曲應(yīng)力。

3.3 長桁

長桁作為壁板的加筋件，其主要功用是與蒙皮組合構(gòu)成承力的加筋板，加筋板構(gòu)成的整個桶體的承受截面的軸力、二個方向的剪力、二個方向彎矩和扭矩。長桁的功用是主要承受軸力和彎矩引起的軸向力。保持結(jié)構(gòu)完整性的條件是其拉伸或壓縮的工作應(yīng)力應(yīng)小于其材料的許用應(yīng)力，元件的鄰界失穩(wěn)應(yīng)力。長桁的布置既要考慮提供桶體的整體剛度，同時還應(yīng)該考慮剖面因開口造成結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的元件應(yīng)力提高，往往需要布置相應(yīng)加強構(gòu)件，考慮在某些部位桶體承受及傳遞局部載荷的需要。因此在長桁數(shù)量及分布時推薦下列幾個布置原則：

（1）按總體布置的要求，首先確定關(guān)鍵長桁的位置。按以下四個方面要求選擇關(guān)鍵長桁：

a）考慮因機身開口需要的縱向加強件位置，對于民用飛機一般指：登機門開口，服務(wù)門開口，應(yīng)急出入開口，貨艙門開口，前起落架艙開口，設(shè)備艙艙門開口等。關(guān)鍵長桁位置點不應(yīng)該簡單地直接選擇開口邊緣，而應(yīng)該結(jié)合加強構(gòu)件的剖面特征，考慮與前后構(gòu)件的有效方便的連續(xù)連接，慎重選取合適的點位面作為長桁節(jié)點。

b）剖面發(fā)生劇烈變化區(qū)域的加強件的位置。例如機翼機身對接區(qū)的縱向受力件布置要求，主起落架艙區(qū)的龍骨梁布置要求。

c）承受有集中載荷的地板梁位置。

d）承受機身內(nèi)設(shè)備布置固定的載荷的要求。例如重量較大的組合設(shè)備支架的支撐點，客艙行李箱的支持架的支撐點等。

（2）長桁間距主要根據(jù)經(jīng)驗和穩(wěn)定性確定。

（3）在確定關(guān)鍵長桁位置后，一般是在關(guān)鍵長桁形成的分段內(nèi)均分。為提高承載效率，原則有以下2條：

a）是在受拉區(qū)節(jié)距可適當大一些，在受壓區(qū)節(jié)距相對小一些，

b）機身半徑小則節(jié)距可適當大一些，反之則可相對小一些。

（4）通常的長桁剖面形狀有Z形、2形、L形等，不同部位的長桁與結(jié)構(gòu)件的連接有不同的要求，如果除與蒙皮連接外，還需要與其他零件連接，則需要按連接要求設(shè)置一定寬度、厚度的連接邊。

4 結(jié)論

機身是飛機的主要部件，也是飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點，本文的研究充分利用成熟的理論及飛機設(shè)計經(jīng)驗，給出典型機身桶體的結(jié)構(gòu)布置方法以供參考。

【參考文獻】

[1]牛春勻，酈正能.實用飛機結(jié)構(gòu)工程設(shè)計[M].航空工業(yè)出版社，2008.

[2]《飛機設(shè)計手冊》第10章[Z].

[責任編輯：朱麗娜]endprint