飛機地板常用結構設計與傳力分析

張衛文 張松林

上海飛機設計研究院，上海市浦東新區 201210

引言

飛機地板結構主要由地板骨架的縱梁、橫梁和安裝在骨架上的面板組成[1]。如圖1所示。

圖1 飛機客艙地板結構常用設計方案

橫梁一般采用工字型擠壓型材，橫梁支持在框上。當地板上的單位設計載荷較大時，這些橫梁要靠縱梁和垂直支柱來支撐。骨架的縱梁同時還可以作為安裝和固定座椅的滑軌。而地板本身由多塊壁板組成，它們用螺栓固定在骨架上。機身地板骨架又通過鉸接接頭固定在機身框上。

地板的面板一般是由上下面板和輕質芯材組成的夾層結構，芯材可以是泡沫塑料或其它材料，它們用特制肋條加強以提高剛度，這樣的壁板通常是用專門的鎖固定在骨架上。而有些地板沿縱梁通過位于縱梁下的寬墊片用螺栓將壁板固定在梁上，托板螺帽位于地板骨架上。

下圖2為一個典型的運輸機機身內部布置圖。地板結構由地板壁板、縱梁、橫向地板梁以及減小地板梁彎矩的底部垂直支柱組成，座艙地板上的座椅導軌（滑軌）不但起加強構件的作用，還能使座椅9g的緊急著陸向前撞擊載荷。同時，客艙地板在設計時應考慮到：其能夠承受下層貨艙在飛行過程中突然出現大開口而產生的降壓時，在地板結構上引起的壓差載荷。

圖2 典型的運輸機機身內部布置

1 駕駛艙、機頭地板結構與傳力

駕駛艙地板由橫梁、縱向加強件、金屬板、復材面板組成；前服務艙地板由橫梁、縱向加強件、復材面板組成。面板是復材，具有較好的彎曲剛度外，有較好的保溫作用。

機頭地板處于增壓艙內部，在增壓艙載荷作用下，一起與增壓艙結構協調變形。主要載荷是駕駛艙和前服務艙內的質量塊在應急著落中的慣性載荷，質量塊與地板的連接都是通過接頭連接，都是集中載荷。還要考慮增壓艙突然出現孔洞引起泄壓，各隔艙之間的壓差載荷。

垂向集中載荷、側向集中載荷傳遞給地板橫梁，橫梁將載荷傳遞給框（橫梁搭接在框上），框以剪力的形式擴散給蒙皮。駕駛艙地板的航向集中載荷傳遞給縱向加強件，縱向加強件通過金屬面板傳遞給兩側蒙皮。前服務艙的航向集中載荷傳遞給縱向加強件，縱向加強件與前機身滑軌相連，將載荷傳遞給前機身滑軌。

2 機身等直段地板結構與傳力

前機身地板主要由橫梁、支柱、滑軌、面板、支撐件、斜桿組成，其處于增壓艙內部。在增壓艙載荷、飛機各飛行和地面載荷作用下，與機身結構一起協調變形。這些情況下，地板組件上的載荷比較小。

而在在應急著陸情況下，其載荷較大。此時客艙艙內的座椅及乘客等質量塊的慣性載荷傳遞給滑軌，垂向與側向載荷傳遞給橫梁。貨艙內攔阻貨物的攔阻網載荷傳遞給橫梁或支撐結構，橫梁將載荷傳遞給支柱及框?；壣系暮较蜉d荷傳遞給中機身滑軌，中機身滑軌固定在中央翼上壁板。

地板組件還要考慮增壓艙突然出現孔洞引起泄壓，各隔艙之間的壓差載荷，該載荷與1g平飛載荷進行組合。

3 機身中段地板結構與傳力

中機身氣密地板縱梁一般為帶有加筋的擠壓型材組合件，如圖3所示。通常情況下，其主要承受氣密地板波紋板上增壓艙載荷和客貨載引起的垂向剪力與彎矩，以及飛行載荷引起的垂向彎矩和軸向載荷，因此，該縱梁均可按照帶有加筋的彎剪組合梁結構進行強度分析。

圖3 典型機身中段地板布置

對于中機身氣密地板，增壓艙載荷為其面外均布載荷，以縱梁與橫梁加強件的交點或其中的結構特征點為節點，按照縱梁與橫梁加強件的剛度將對應區域范圍內的增壓艙均布載荷簡化為縱梁與橫梁加強件上的節點集中載荷或節點之間的線分布載荷。而客貨載為作用在滑軌上的面外多點集中載荷，也可按照縱梁各節點之間的剛度分配到縱梁上。

通過載荷簡化后的縱梁結構受力模型如圖4所示。圖4中縱梁端點約束假定為簡支狀態，其真實約束條件要根據飛機結構的真實使用狀態確定。圖中的q1、q2、q3、q4、q5、q6、q7、q8為增壓艙載荷簡化到縱梁節點之間的線分布載荷；P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9為客貨載簡化到縱梁節點之間的集中載荷；Px為飛行載荷引起的軸向載荷，受拉為正值。受壓為負值；M為飛行載荷引起的垂向彎矩。

圖4 載荷簡化后的縱梁結構受力模型示意圖

根據以上受力模型，利用疊加原理，可以得到縱梁結構沿長度（跨度）方向的軸力、剪力和彎矩分布。

橫向加強件一般也為擠壓型材。主要承受氣密地板波紋板上的增壓艙載荷和客貨載引起的垂直方向的剪力與彎矩。根據所處的部位不同，橫向加強件可簡化為帶有加筋的彎剪組合梁結構和不帶帶有加筋的梁結構進行分析。對中型運輸機來說，還需考慮突然泄壓造成上、下艙的附加壓差載荷。

飛機地板滑軌主要承受旅客座椅傳遞的垂向載荷，以及旅客座椅在應急著落中的航向慣性載荷，滑軌可簡化為一個承受航向慣性載荷和在多支點承受集中垂向載荷的連續梁結構進行分析。

4 結束語

本文主要介紹了駕駛艙與機頭地板、機身等直段地板、典型機身中段地板的結構及其傳力分析。橫梁主要承受垂向集中載荷、側向集中載荷，縱向加強件主要承受駕駛艙內的質量塊在應急著落中的航向慣性載荷。橫梁和縱向加強件一般為擠壓型材。在飛機設計中應根據結構的傳力分析合理設計飛機的結構形式。

[1] 牛春云等.實用飛機結構工程設計.航空工業出版社，2008.