飛機(jī)機(jī)身壁板上小開(kāi)口的設(shè)計(jì)方法探討

柳　醉 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

0　引言

為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的某些功能或?qū)傩?例如門(mén)、窗、維護(hù)、檢修、通過(guò)液壓管路、通過(guò)電氣線(xiàn)束、系統(tǒng)排氣等)，飛機(jī)機(jī)身壁板上經(jīng)常需要設(shè)計(jì)一些開(kāi)口結(jié)構(gòu)，優(yōu)秀的開(kāi)口設(shè)計(jì)可在某種程度上體現(xiàn)出飛機(jī)的先進(jìn)性。按直徑的相對(duì)大小可將開(kāi)口大致分為大開(kāi)口、中等開(kāi)口和小開(kāi)口。一般來(lái)說(shuō)，登機(jī)門(mén)、服務(wù)門(mén)、貨艙門(mén)、起落架艙門(mén)、輔助動(dòng)力裝置(Auxiliary Power Unit, 簡(jiǎn)稱(chēng)APU)艙門(mén)等屬于大開(kāi)口；維護(hù)口蓋、窗框、推力回收活門(mén)(Thrust Recovery Value, 簡(jiǎn)稱(chēng)TRV)口、高低壓充氣口等屬于中等開(kāi)口；其它諸如通氣口、排氣口、天線(xiàn)開(kāi)口、線(xiàn)束開(kāi)口、液壓/燃油管路開(kāi)口等可定義為小開(kāi)口。由于開(kāi)口區(qū)存在應(yīng)力集中，而且開(kāi)口區(qū)的靜力和疲勞設(shè)計(jì)也往往缺乏足夠的數(shù)據(jù)，故開(kāi)口區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析通常較非開(kāi)口區(qū)顯得困難。本文僅討論和分析小開(kāi)口的設(shè)計(jì)方法。

1　機(jī)身壁板上的小開(kāi)口結(jié)構(gòu)形式

小開(kāi)口，顧名思義，就是尺寸相對(duì)較小的開(kāi)口。小開(kāi)口可以位于機(jī)身的各個(gè)部位，以側(cè)下部和下部居多；其開(kāi)口形狀可按需而定，一般以圓形、橢圓形、方形為主，其它不規(guī)則的形狀由于應(yīng)力集中過(guò)于嚴(yán)重而較少使用，少數(shù)特殊部位如需使用也應(yīng)采取附加措施以減輕不利影響；圖1所示為飛機(jī)機(jī)身壁板上典型的小開(kāi)口形狀。

圖1　飛機(jī)機(jī)身壁板上典型的小開(kāi)口

壁板上的小開(kāi)口有時(shí)會(huì)增加結(jié)構(gòu)的重量，因?yàn)樾￠_(kāi)口的存在會(huì)破壞載荷傳遞的路徑，使原有的結(jié)構(gòu)效率降低，有時(shí)需要適當(dāng)增加開(kāi)口附近結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度來(lái)承受原開(kāi)口處應(yīng)承受的載荷以及由于載荷重新分布而產(chǎn)生的一些力。一般來(lái)說(shuō)，壁板上的小開(kāi)口應(yīng)按照其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度來(lái)決定是否采取補(bǔ)強(qiáng)措施及采取何種補(bǔ)強(qiáng)措施；由于小開(kāi)口尺寸相對(duì)較小，故其對(duì)結(jié)構(gòu)完整性的影響也是局部性的；對(duì)位于低載荷區(qū)的小開(kāi)口，如開(kāi)口后結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度裕度能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，則可以考慮不設(shè)計(jì)額外的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)以節(jié)省機(jī)體重量；對(duì)位于中、高載荷區(qū)的小開(kāi)口，開(kāi)口周?chē)枰O(shè)計(jì)額外的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)來(lái)承受和傳遞載荷。小開(kāi)口的補(bǔ)強(qiáng)方法有很多，一般采用簡(jiǎn)單且有高結(jié)構(gòu)效率的設(shè)計(jì)方案，例如加強(qiáng)板、凸緣、口框等；圖2所示為飛機(jī)機(jī)身壁板上小開(kāi)口的典型補(bǔ)強(qiáng)方案。

圖2　飛機(jī)機(jī)身壁板上小開(kāi)口的典型補(bǔ)強(qiáng)方案

2　小開(kāi)口結(jié)構(gòu)的載荷分析與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)口后的載荷分析

一般來(lái)說(shuō)，機(jī)身壁板上的小開(kāi)口結(jié)構(gòu)必須要在蒙皮上開(kāi)口，有時(shí)還因特殊情況要斷開(kāi)長(zhǎng)桁；顯然，機(jī)身壁板傳力結(jié)構(gòu)的連續(xù)性將在開(kāi)口處中斷，而且開(kāi)口尺寸的大小和斷開(kāi)長(zhǎng)桁的根數(shù)對(duì)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有著直接影響。目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)役民用飛機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，為了彌補(bǔ)開(kāi)口對(duì)機(jī)身壁板傳力連續(xù)性的破壞，一般可以采用兩種方式：一種是在蒙皮開(kāi)口的周?chē)贾每诳虻葮?gòu)件，利用口框等構(gòu)件的抗彎曲性能將載荷傳走；另一種是對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)(機(jī)身蒙皮)進(jìn)行強(qiáng)化(采用加強(qiáng)板、凸緣等)，使開(kāi)口區(qū)的結(jié)構(gòu)仍然能有效地參與受力和傳載。具體設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況綜合采用上述兩種方法。

本文所討論的小開(kāi)口結(jié)構(gòu)位于機(jī)身壁板上，屬于半硬殼式結(jié)構(gòu)開(kāi)口，其對(duì)飛機(jī)的總體受力影響有限，一般在開(kāi)口周?chē)M(jìn)行局部加強(qiáng)即可減輕甚至抵消開(kāi)口對(duì)受力和傳載造成的不利影響。

開(kāi)口位于蒙皮上時(shí)，通常會(huì)對(duì)蒙皮剪流產(chǎn)生一定的影響。由《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第10冊(cè)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第242頁(yè)的分析可知，機(jī)身蒙皮上開(kāi)口、后開(kāi)口周?chē)膽?yīng)力分布會(huì)發(fā)生變化，開(kāi)口的上下左右均得到大于原始剪流的值，而開(kāi)口的四角區(qū)域內(nèi)均得到小于原始剪流的值。

技 術(shù) 研 究

2.2 典型的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代民用飛機(jī)一般都采用薄蒙皮結(jié)構(gòu)，由2.1節(jié)可知蒙皮上的開(kāi)口將對(duì)蒙皮內(nèi)的剪流分布產(chǎn)生影響，為了彌補(bǔ)開(kāi)口對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度性能造成的不利影響，結(jié)構(gòu)工程師通常會(huì)在開(kāi)口周?chē)O(shè)計(jì)加強(qiáng)板來(lái)緊貼蒙皮開(kāi)口表面。

圖3　蒙皮上的小圓口示意圖

以機(jī)身蒙皮上的小尺寸圓形開(kāi)口為例，探討小開(kāi)口的影響及其通用的加強(qiáng)原則。此處的小開(kāi)口設(shè)定為位于半硬殼式機(jī)身的兩根縱向桁條之間，直徑不大于桁距的40%，如圖3所示。圓形開(kāi)口的應(yīng)力集中系數(shù)相對(duì)較小，且此處開(kāi)口的尺寸也相對(duì)較小，故其對(duì)機(jī)身蒙皮剪流的影響也小，只有非常接近開(kāi)口的部分才會(huì)稍微受到載荷重新分布的影響。按經(jīng)驗(yàn)，此處一般會(huì)使用環(huán)形加強(qiáng)板來(lái)補(bǔ)強(qiáng)，且加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)需遵行以下原則：(1)加強(qiáng)板的厚度比蒙皮的厚度大1～2級(jí)為宜(每級(jí)的厚度可定為0.2 mm)，其材料一般與蒙皮相同即可，在特別關(guān)鍵的區(qū)域也可選用性能更好的材料；(2)加強(qiáng)板的面積不小于開(kāi)口面積的1.5倍；(3)固定加強(qiáng)板的緊固件必須能承受開(kāi)口周?chē)募羟休d荷。以上幾條原則在設(shè)計(jì)開(kāi)口加強(qiáng)板的時(shí)候經(jīng)常用到，圖4為加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)示意圖。

圖4　蒙皮上的環(huán)形加強(qiáng)板設(shè)計(jì)示意圖

另外，為提高蒙皮補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的穩(wěn)定性及傳載效率，加強(qiáng)板的周邊最好能分別伸到開(kāi)口邊桁條和邊框下部并與其共鉚；在高載荷區(qū)，尤其是機(jī)體的疲勞關(guān)鍵區(qū)，為降低應(yīng)力集中、改善開(kāi)口區(qū)在增壓艙載荷下的疲勞性能、并保證機(jī)身壁板的軸向載荷和蒙皮的剪切載荷能在開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)區(qū)平穩(wěn)地傳遞，加強(qiáng)板的兩邊(軸向載荷方向上)甚至四邊可設(shè)計(jì)成波浪形邊緣；另外，為避免造成蒙皮的剛度突變，進(jìn)而產(chǎn)生局部硬點(diǎn)破壞，在開(kāi)口附近的長(zhǎng)桁端頭的立邊最好能進(jìn)行斜削設(shè)計(jì)，斜削角(定義為斜削面與長(zhǎng)桁軸線(xiàn)的夾角)以30°左右較為合適，如圖5所示。凸緣的設(shè)計(jì)思路與加強(qiáng)板相同，一般由材料整體加工而成。

圖5　壁板上小開(kāi)口處的薄壁強(qiáng)化設(shè)計(jì)

3　機(jī)身小開(kāi)口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

按照經(jīng)驗(yàn)，機(jī)身壁板上的小開(kāi)口數(shù)量眾多，每一處開(kāi)口都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性造成一定的影響，這種影響主要體現(xiàn)在強(qiáng)度方面，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡量將開(kāi)口布置在載荷較低的位置，以簡(jiǎn)化補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、提升機(jī)體的效率。

飛機(jī)設(shè)計(jì)中，一般認(rèn)為腐蝕和疲勞具有同等的破壞力，且很多疲勞破壞都是由腐蝕引起的，所以飛機(jī)結(jié)構(gòu)的防腐蝕設(shè)計(jì)很重要；對(duì)于機(jī)身壁板上的小開(kāi)口來(lái)說(shuō)，防腐蝕設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)工程師必須要考慮的，尤其是在機(jī)身下側(cè)污染物比較容易聚集的部位，現(xiàn)在的民用飛機(jī)下半部一般采用底漆加面漆的表面處理方法以對(duì)抗環(huán)境腐蝕，在環(huán)境更惡劣的區(qū)域(例如廚房和盥洗室下部)還增加使用防腐蝕抑制劑。

對(duì)位于氣密增壓區(qū)的小開(kāi)口來(lái)說(shuō)，氣密性設(shè)計(jì)是很重要的；為保證氣密性，氣密堵件、加強(qiáng)墊板等結(jié)構(gòu)件和蒙皮之間除了貼面密封之外，一般還需要在零件的邊緣進(jìn)行填角密封。

4　結(jié)論

本文詳細(xì)分析和探討了飛機(jī)機(jī)身壁板上小開(kāi)口的設(shè)計(jì)，從中可發(fā)現(xiàn)，優(yōu)秀的開(kāi)口設(shè)計(jì)對(duì)飛機(jī)的重量控制、疲勞壽命等方面均有非常積極的作用，其設(shè)計(jì)過(guò)程需要綜合考慮開(kāi)口區(qū)域載荷分布、強(qiáng)度、剛度、位置布置、防腐蝕、氣密性等設(shè)計(jì)因素。