探究民用飛機(jī)典型金屬機(jī)身壁板設(shè)計(jì)方法

李明升

摘 要 民用飛機(jī)機(jī)身金屬壁板由蒙皮和長(zhǎng)桁組成，本文針對(duì)壁板初步設(shè)計(jì)，從受力形式分析、材料選擇、長(zhǎng)桁截面選擇、蒙皮分塊以及最小厚度確定等因素進(jìn)行了進(jìn)一步探究，可為之后的民用飛機(jī)壁板設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 民用飛機(jī);金屬機(jī)身壁板;設(shè)計(jì)方法

民用飛機(jī)機(jī)身為半硬殼式構(gòu)造，金屬壁板是機(jī)身結(jié)構(gòu)中最大的裝配單元，由蒙皮和長(zhǎng)桁組成，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要承載組件，承受著機(jī)身的彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷、剪切以及座艙壓力等所有主要的載荷。壁板受力形式十分復(fù)雜，位置不同，相應(yīng)的設(shè)計(jì)情況不同，所以要結(jié)合具體的部位充分考慮。本文針對(duì)民用飛機(jī)典型金屬機(jī)身壁板設(shè)計(jì)給出了詳細(xì)分析。

1機(jī)身壁板受力分析

蒙皮、長(zhǎng)桁構(gòu)成了機(jī)身壁板，是平衡機(jī)身結(jié)構(gòu)荷載的關(guān)鍵性構(gòu)件。其中，針對(duì)機(jī)身受載的分析為：飛機(jī)當(dāng)中的各個(gè)部件以及裝載物產(chǎn)生的載荷，在框上產(chǎn)生直接的作用，框以減流的形式，向蒙皮傳遞荷載[1]。剪力到達(dá)蒙皮之后，機(jī)身便如同薄壁，會(huì)對(duì)各個(gè)方向的橫向力進(jìn)行承載，進(jìn)而出現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)的情況。彎矩會(huì)有軸向力產(chǎn)生，具體來說便是長(zhǎng)桁以及蒙皮當(dāng)中存在的正應(yīng)力;扭轉(zhuǎn)以及剪力，導(dǎo)致蒙皮有剪應(yīng)力產(chǎn)生，因此，蒙皮和長(zhǎng)桁具體的受力為：蒙皮可以對(duì)機(jī)身的外形進(jìn)行維持，與長(zhǎng)桁共同對(duì)彎矩MZ和MY承受，構(gòu)成軸向力;對(duì)剪力FY， FZ、扭矩Ma產(chǎn)生的剪應(yīng)力承受;對(duì)增壓艙當(dāng)中存在的氣密載荷承受。長(zhǎng)桁：與蒙皮共同對(duì)彎矩Mz和MY引起的軸向力進(jìn)行承受;此外，長(zhǎng)桁會(huì)針對(duì)蒙皮產(chǎn)生支持作用，使蒙皮具備更高的受壓和受剪失穩(wěn)臨界應(yīng)力[2]。因?yàn)闄C(jī)身存在的彎矩，其方向通常都是向下的，所以機(jī)身受彎過程中，一般都是上部受拉，而下部受壓。一旦壁板當(dāng)中的應(yīng)力由拉應(yīng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)變，成為壓應(yīng)力時(shí)，蒙皮有可能會(huì)失去穩(wěn)定。所以，長(zhǎng)桁的分布通常都會(huì)從上至下，并且間距逐步減小，上部非常疏松，而下部較密。上壁板一般會(huì)對(duì)拉伸載荷進(jìn)行承受，依照疲勞損傷容限開展設(shè)計(jì)，對(duì)拉伸強(qiáng)度理想、具備高質(zhì)量的斷裂韌性以及裂紋擴(kuò)展速率材料進(jìn)行選擇，并且要保證控制臂板的設(shè)計(jì)水平，這是設(shè)計(jì)當(dāng)中非常關(guān)鍵的內(nèi)容;下壁板會(huì)對(duì)受壓縮載荷進(jìn)行承受，可依照穩(wěn)定性開展設(shè)計(jì)。

2材料挑選

在對(duì)蒙皮材料進(jìn)行選擇的過程中，除了考慮材料黨的疲勞性能、抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能以及斷裂韌性等因素外，最關(guān)鍵的考慮因素便是重量。機(jī)身蒙皮可以選擇應(yīng)用全新的材料鋁鋰合金，該新型材料與常規(guī)的2000和7000系列的鋁合金相比，具有重量輕、強(qiáng)度高和抗裂紋擴(kuò)展速率低等優(yōu)點(diǎn)，但考慮到新材料制造工藝的風(fēng)險(xiǎn)性，在材料選擇通常的做法是采用新材料和常規(guī)鋁合金結(jié)合的形式，單曲度的蒙皮和長(zhǎng)桁通常選擇鋁鋰合金。雙曲蒙皮和長(zhǎng)桁機(jī)加接頭通常選用常規(guī)鋁合金，例如7075，該材料有著非常理想的綜合性能[3]。

3蒙皮分塊

蒙皮分塊兒的具體數(shù)量以及尺寸，需要根據(jù)總體布局提出的要求合理開展，并結(jié)合機(jī)身的設(shè)計(jì)和工藝分離面的相應(yīng)劃分、開口位置、破損安全情況等等。此外，還需要對(duì)同類機(jī)種的具體使用情況加以參照，對(duì)蒙皮的分塊綜合考量之后合理開展。為了能夠?qū)ψ畲蟪潭鹊牟牧线B續(xù)性進(jìn)行獲取，使結(jié)構(gòu)重量有所減輕，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)效率，需要使蒙皮分塊盡可能減少。

4蒙皮最小厚度

對(duì)于民用飛機(jī)來說，重量是衡量飛機(jī)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。金屬壁板在機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重量占比較大，因此機(jī)身蒙皮最小厚度設(shè)計(jì)尤為重要，機(jī)身蒙皮是氣密艙受力件，壓差載荷，剪切力和扭矩產(chǎn)生的剪流及彎矩決定蒙皮的厚度。考慮疲勞強(qiáng)度，需要控制機(jī)身蒙皮的應(yīng)力水平，依據(jù)典型的受力分析，氣密艙增壓載荷下，，可對(duì)蒙皮最小厚度t進(jìn)行估算，具體的公式為：為壓差載荷，R為機(jī)身蒙皮當(dāng)量半徑。

t =

5挑選長(zhǎng)桁截面

民用飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)當(dāng)中，對(duì)于長(zhǎng)桁截面的應(yīng)用，非常典型的便是z形、帽型以及J型。

針對(duì)不同的長(zhǎng)桁截面形式進(jìn)行比較：其一，z形長(zhǎng)桁，有著較高的結(jié)構(gòu)效率，可檢查性和維修性比較理想，并且組裝方便，非常適合在民用結(jié)構(gòu)當(dāng)中使用;其二：J型長(zhǎng)桁，需要借助雙排緊固件，將其連接蒙皮，有著良好的破損安全性，可在機(jī)身縱向蒙皮的連接處進(jìn)行使用;其三，鈑彎帽型長(zhǎng)桁1的結(jié)構(gòu)效率等同于z型長(zhǎng)桁，所以在民用結(jié)構(gòu)當(dāng)中的使用也非常多;其四，鈑彎帽型長(zhǎng)桁2展現(xiàn)出來的結(jié)構(gòu)效率非常高，但由于封閉區(qū)域，針對(duì)腐蝕檢測(cè)的開展十分困難，所以不建議在民用飛機(jī)當(dāng)中對(duì)這一形式進(jìn)行使用。

不同的長(zhǎng)桁，有著不同的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，可以對(duì)成熟機(jī)種的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行借鑒，利用長(zhǎng)桁截面局部失穩(wěn)應(yīng)力FCC的精準(zhǔn)計(jì)算、受壓壁板的許用壓應(yīng)力FC進(jìn)行計(jì)算、重量計(jì)算，可對(duì)長(zhǎng)航截面進(jìn)行選擇[4]。

6等直段長(zhǎng)桁分布

在相同的橫剖面當(dāng)中，長(zhǎng)桁有著不均勻的分布，其疏密會(huì)結(jié)合橫剖面當(dāng)中的具體應(yīng)力狀況進(jìn)行。將橫剖面當(dāng)中存在的幾個(gè)明顯長(zhǎng)桁為界，可以使機(jī)身橫剖面進(jìn)行劃分，構(gòu)建幾個(gè)區(qū)域，剩余位置當(dāng)中的長(zhǎng)桁，需要根據(jù)上疏下密的原則均勻開展，并對(duì)合適的長(zhǎng)航分布進(jìn)行選擇，之后實(shí)施計(jì)算。對(duì)最大應(yīng)力值以及蒙皮最大剪應(yīng)力進(jìn)行比較分析，可對(duì)長(zhǎng)桁最終分布進(jìn)行明確。

7結(jié)束語

總之，在對(duì)民用飛機(jī)典型機(jī)機(jī)身壁板，進(jìn)行分析的過程中，需要對(duì)地板的受力形式進(jìn)行探究，本文從材料選擇、蒙皮分塊、蒙皮最小厚度、長(zhǎng)桁截面設(shè)計(jì)以及長(zhǎng)桁布置的方面，進(jìn)行了比較詳盡的分析和總結(jié)，依照相應(yīng)的原則，可強(qiáng)化民用飛機(jī)壁板的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃雨霓，錢敏.民用飛機(jī)典型金屬機(jī)身壁板設(shè)計(jì)方法[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（22）：186-187.

[2] 盧秉賀，李萍，趙繼偉.民用飛機(jī)后機(jī)身壁板控制失效模式和控制載荷工況分析[J].沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29（3）：60-63.

[3] 韓峰.大型客機(jī)典型壁板傳聲損失特性的數(shù)值分析研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2011（1）：49-51，74.

[4] 方陽，尹偉明，孟慶功，等.民用飛機(jī)壁板蒙皮及長(zhǎng)桁布置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2017（2）：67-73.