民用飛機(jī)機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張茜

摘? 要：壁板是民用飛機(jī)機(jī)身的主要承力結(jié)構(gòu)，作用在飛機(jī)機(jī)身的載荷幾乎都要通過(guò)壁板傳遞。本文從傳力分析、結(jié)構(gòu)布置、材料選擇、強(qiáng)度分析、減重優(yōu)化幾個(gè)方面進(jìn)行了分析及研究，介紹了飛機(jī)機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，具有一定的工程設(shè)計(jì)實(shí)用效益。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)、壁板、結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

飛機(jī)壁板構(gòu)成了機(jī)身的外殼，是機(jī)身最重要組合件之一。壁板常用的結(jié)構(gòu)形式有五種：由面板和夾芯構(gòu)成的夾層結(jié)構(gòu);用化銑加工控制壁板各部位厚度的化銑壁板;蒙皮厚度在2.5mm 以上，兩加強(qiáng)框之間不需任何骨架的厚蒙皮壁板;由1.2mm～2.0mm厚的蒙皮和長(zhǎng)桁、普通框構(gòu)成的薄壁結(jié)構(gòu);以及復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)。民用飛機(jī)機(jī)身大都是半硬殼式結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用薄壁結(jié)構(gòu)壁板。

大部分民用飛機(jī)的壁板都是由蒙皮、長(zhǎng)桁、隔框等組成的典型加筋板結(jié)構(gòu)，如圖1所示。作用于機(jī)身的所有載荷幾乎都要通過(guò)壁板來(lái)傳遞，因此壁板的受力形式復(fù)雜，不同的部位要考慮不同的設(shè)計(jì)情況。壁板的設(shè)計(jì)情況要根據(jù)所在的機(jī)身部位進(jìn)行選擇。

2.傳力分析

飛機(jī)壁板外載荷主要包括氣動(dòng)載荷、慣性載荷及增壓載荷。機(jī)身整體受到彎、剪、扭的作用。飛機(jī)壁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)針對(duì)機(jī)身承載特點(diǎn)，圍繞壁板所受集中力、壓力、彎矩、剪力、扭矩等典型載荷設(shè)計(jì)合理傳力路線。飛機(jī)框平面內(nèi)集中載荷由框承受，通過(guò)框腹板和緣條傳遞給機(jī)身;飛機(jī)航向集中載荷由縱向構(gòu)件承受、傳遞，與機(jī)身慣性載荷平衡;機(jī)身整體彎矩由壁板、長(zhǎng)桁以拉、壓形式承受;機(jī)身整體剪力和扭矩由蒙皮承受、傳遞。以上這些結(jié)構(gòu)的承載最終都通過(guò)典型加筋板結(jié)構(gòu)的拉伸、壓縮、剪切來(lái)平衡、傳遞及擴(kuò)散。

3.結(jié)構(gòu)布置

承受軸向壓力的壁板，為提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，應(yīng)增加壁板的厚度或增加縱向加強(qiáng)件，增加橫向構(gòu)件是無(wú)效的。承受剪力的壁板，調(diào)整縱向或橫向構(gòu)件的間距和蒙皮的厚度均能有效提高壁板的抗剪穩(wěn)定性。承受徑向壓力的壁板，為提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，應(yīng)增加壁板厚度或加密橫向構(gòu)件，增加縱向構(gòu)件所得到的效果較小。承受分布?jí)毫Φ钠桨?，有硬板、軟板、薄膜三種類型，在分布?jí)毫ψ饔孟?，不同類型的平板有不同的?yīng)力狀態(tài)。半硬殼壁板是一種典型的機(jī)身結(jié)構(gòu)形式，其受力特點(diǎn)是承壓時(shí)，長(zhǎng)桁和有效部分的蒙皮承力;承拉時(shí)，長(zhǎng)桁和全部蒙皮承力。

長(zhǎng)桁是機(jī)身的重要縱向受力骨架，是壁板中的重要構(gòu)件，可承受機(jī)身縱向彎曲所產(chǎn)生的縱向力、作為蒙皮的縱向支持、承受并傳遞某些集中載荷。長(zhǎng)桁的主要結(jié)構(gòu)形式有鈑金成形、擠壓型材、鍛件機(jī)加成形、整體機(jī)加成形。為充分發(fā)揮長(zhǎng)桁的承載效率，長(zhǎng)桁應(yīng)布置在機(jī)身的頂部和底部。長(zhǎng)桁應(yīng)當(dāng)連續(xù)，盡量避免彎折。但由于機(jī)身下部有起落架艙和發(fā)動(dòng)機(jī)艙等，使長(zhǎng)桁軸線不能保持直線，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能減緩長(zhǎng)桁的彎折程度。長(zhǎng)桁的彎折處必須有橫向構(gòu)件支持，橫向構(gòu)件應(yīng)當(dāng)能承受長(zhǎng)桁軸向力在轉(zhuǎn)折點(diǎn)的橫向分力。

4.材料選擇

飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料選用主要是根據(jù)結(jié)構(gòu)各部位受力特點(diǎn)而選定，主要包括靜強(qiáng)度、疲勞損傷容限、耐腐蝕性能，同時(shí)需考慮可加工性、可獲得性和成本等因素。飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材一般根據(jù)當(dāng)代現(xiàn)有材料進(jìn)行合理選用。普通民用飛機(jī)壁板中蒙皮主要承受剪切載荷和增壓載荷，由于增壓所引起的拉伸載荷成為蒙皮疲勞的主要失效形式，所以蒙皮選材主要從疲勞角度考慮;長(zhǎng)桁主要承受拉伸和壓縮載荷，材料的拉壓強(qiáng)度為主要考慮因素。因此，普通民用飛機(jī)壁板蒙皮材料主要選用疲勞、斷裂韌性好的2000系列鋁合金，同時(shí)表面包鋁以提高其耐腐性性能。長(zhǎng)桁材料選用主要考慮其拉伸及壓縮屈服強(qiáng)度，同時(shí)兼顧疲勞及斷裂韌性，7000系列鋁合金擠壓型材具有較高的強(qiáng)度及斷裂韌性，為長(zhǎng)桁的首選材料。

5.強(qiáng)度分析

機(jī)身壁板強(qiáng)度計(jì)算的原則是直到極限載荷，壁板加強(qiáng)筋不應(yīng)出現(xiàn)壓縮失穩(wěn)，包括局部失穩(wěn)和總體失穩(wěn)，以及材料拉伸不發(fā)生破壞失效。機(jī)身壁板中的蒙皮與長(zhǎng)桁為板桿結(jié)構(gòu)，在有限元模型中只承受剪切和拉壓載荷，沒(méi)有彎曲載荷。民機(jī)常用的鉚接壁板承受壓縮載荷時(shí)，可能發(fā)生總體壓桿失穩(wěn)，以及各種形式的局部失穩(wěn)，包括釘間失穩(wěn)、平板屈曲和側(cè)向失穩(wěn)等。

機(jī)身鉚接加筋壁板在壓縮載荷作用下，可能發(fā)生的局部失穩(wěn)形式包括蒙皮釘間失穩(wěn)、長(zhǎng)桁外緣條釘間失穩(wěn)、腹板屈曲、內(nèi)緣條屈曲、內(nèi)緣條側(cè)向失穩(wěn)。此外，長(zhǎng)桁和蒙皮的壓縮屈服也要考慮。

6.減重優(yōu)化

根據(jù)蒙皮剪切不失穩(wěn)的原則對(duì)蒙皮厚度尺寸進(jìn)行優(yōu)化。將蒙皮兩長(zhǎng)桁、兩隔框之間的區(qū)域做為一個(gè)單元格，兩隔框距離做為單元格長(zhǎng)度、兩長(zhǎng)桁之間距離做為單元格寬度，選擇承受最大剪切載荷的單元格，根據(jù)極限載荷剪切不失穩(wěn)的原則計(jì)算出該單元格的蒙皮厚度，參考民機(jī)機(jī)身材料選用規(guī)范向上選擇最接近的厚度尺寸做為蒙皮基礎(chǔ)厚度。再根據(jù)蒙皮極限載荷剪切不失穩(wěn)的要求調(diào)整其它單元格的化銑蒙皮厚度。在調(diào)參時(shí)可以發(fā)現(xiàn)相同單元格化銑厚度，蒙皮基礎(chǔ)厚度越厚，蒙皮剪切許用載荷越大，但是許用應(yīng)力越小，結(jié)構(gòu)效率越低;相同的蒙皮基礎(chǔ)厚度，單元格化銑厚度越大，許用載荷越大，許用應(yīng)力越小，結(jié)構(gòu)效率越低。所以，為了提高壁板的結(jié)構(gòu)效率，要盡可能減小蒙皮的化銑厚度。

根據(jù)壁板壓縮穩(wěn)定性強(qiáng)度計(jì)算方法得到加筋板受壓臨界載荷，預(yù)估加筋板面積，再根據(jù)確定的蒙皮厚度尺寸計(jì)算蒙皮有效面積，對(duì)每個(gè)區(qū)域的長(zhǎng)桁進(jìn)行最大壓縮載荷篩選，進(jìn)一步預(yù)估長(zhǎng)桁面積。再對(duì)比長(zhǎng)桁牌號(hào)初步選擇幾個(gè)長(zhǎng)桁截面。再根據(jù)長(zhǎng)桁壓桿穩(wěn)定性安全裕度為20%左右進(jìn)行效率最大原則選長(zhǎng)桁，同時(shí)需考慮長(zhǎng)桁厚度盡量與蒙皮厚度差控制在0.2mm之內(nèi)。如果載荷相對(duì)較小，可選擇一個(gè)滿足面積要求，結(jié)構(gòu)效率稍低、結(jié)構(gòu)重量較低的長(zhǎng)桁截面尺寸。

蒙皮和長(zhǎng)桁尺寸參數(shù)調(diào)整確定后，要復(fù)算壁板拉伸強(qiáng)度、壁板壓縮穩(wěn)定性、壁板壓剪聯(lián)合穩(wěn)定性、張力場(chǎng)穩(wěn)定性是否滿足強(qiáng)度要求。

7.結(jié)論

本文從傳力分析、結(jié)構(gòu)布置、材料選擇、強(qiáng)度分析、減重優(yōu)化幾個(gè)方面介紹了民用飛機(jī)機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，可做為普通民機(jī)機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)和參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京： 航空工業(yè)出版社，2000.

[2] 牛春勻（美）著. 程小全譯. 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.