飛機(jī)普通框及其對(duì)接形式的分析

胡 斌 石鵬飛 劉世群

（中航工業(yè)股份有限公司 漢中飛機(jī)分公司設(shè)計(jì)研究院，陜西 漢中723000）

0 引言

現(xiàn)代運(yùn)輸機(jī)機(jī)身均為由橫向隔框、縱向長(zhǎng)桁或梁和蒙皮組合而成的半硬殼式結(jié)構(gòu)。而橫向隔框的結(jié)構(gòu)形式，縱向構(gòu)件的剖面形狀，不同區(qū)域蒙皮的狀態(tài)，以及蒙皮與隔框、縱向構(gòu)件的連接形式，采用何種結(jié)構(gòu)形式的連接剪力片、止裂板的配置及其諸構(gòu)件布置是否合理，對(duì)于結(jié)構(gòu)能否減緩裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，能否充分發(fā)揮每個(gè)結(jié)構(gòu)件的材料潛能，都會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因此機(jī)身結(jié)構(gòu)形式的確定及其構(gòu)件之間連接方式的選擇是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中很重要的環(huán)節(jié)。

通常機(jī)身結(jié)構(gòu)都是采用簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、風(fēng)險(xiǎn)小而且經(jīng)過(guò)了實(shí)踐考驗(yàn)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式和連接方式，采用損傷容限、耐久性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同時(shí)在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上采取各種抗疲勞裂紋的設(shè)計(jì)措施， 以提高結(jié)構(gòu)抗開裂、腐蝕及意外損傷的能力，從而提高結(jié)構(gòu)的耐久性。主要結(jié)構(gòu)還應(yīng)盡可能采用多路傳力的結(jié)構(gòu)布局和止裂技術(shù)，從而提高結(jié)構(gòu)壁板的損傷容限特性。

目前美國(guó)的波音公司和歐洲的空中客車公司的系列飛機(jī)機(jī)身均為半硬殼式結(jié)構(gòu)，但是機(jī)

身結(jié)構(gòu)中的普通框的組合結(jié)構(gòu)形式又都各不相同。但這些結(jié)構(gòu)形式都滿足適航條例的要求，而且也都經(jīng)過(guò)了大量試驗(yàn)驗(yàn)證和長(zhǎng)期飛行實(shí)踐的考驗(yàn)，證明是成功的設(shè)計(jì)，具有良好的抗疲勞開裂、抗腐蝕和抗意外損傷的結(jié)構(gòu)品質(zhì)。

麥道系列飛機(jī)機(jī)身的普通框是。由Z 形剖面和L 形剖面板彎件鉚接而成，框緣為不直接與蒙皮相連的“浮框式”，L 形剪切角片與蒙皮相連可起到一定的止裂作用，以防止在環(huán)向應(yīng)力作用下縱向裂紋的擴(kuò)展。但框緣直接與長(zhǎng)桁彎邊相連，在座艙增壓時(shí)，被連接的長(zhǎng)桁彎邊會(huì)因偏心而易產(chǎn)生裂紋。 波音飛機(jī)（如波音747）的機(jī)身結(jié)構(gòu)使用了框、角片分別與帽形長(zhǎng)桁的直邊兩側(cè)相連，就很好地解決了麥道飛機(jī)存在的上述問(wèn)題，并且用框加強(qiáng)型材的方式很好地補(bǔ)償了由于長(zhǎng)桁通過(guò)給框腹板帶來(lái)的開口削弱，也就防止了框腹板開口處裂紋的產(chǎn)生。 而空中客車系列飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)則是利用L 形板彎件與框桁角片合二而一的剪力片，將蒙皮、框腹板和長(zhǎng)桁連接起來(lái)。 經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，它不但具有與波音、麥道飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)同樣的功能，而且減少了零件的數(shù)量，便于協(xié)調(diào)、裝配。 烏克蘭的安-12 飛機(jī)采用了S 形剖面和L 形剖面板彎件鉚接而成，框緣同樣為不直接與蒙皮相連的“浮框式”，用角片將框腹板和長(zhǎng)桁立邊連接。

1 框的布置

普通框是機(jī)身橫向骨架的主要構(gòu)件， 通常情況下在機(jī)身的等剖面段，即機(jī)身的前中段和后中段，都是以508mm(20in)或483mm(19in)沿機(jī)身縱向等間距布置的。 在等剖面段等間距普通框的布置不但有利于工藝而且在以后的機(jī)身座艙需要加長(zhǎng)或縮短時(shí)，都會(huì)帶來(lái)很大的方便。

在機(jī)身與機(jī)翼前、后梁對(duì)接框之間，即機(jī)身中央翼段，普通框的布置受到總體布局、翼上應(yīng)急出口安排的限制，應(yīng)按照實(shí)際結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行布置。

機(jī)身前段則采用密框距布局，主要是由機(jī)身前段的載荷狀態(tài)和駕駛艙風(fēng)擋構(gòu)型而確定，其框距大約在250-310mm 不等。

機(jī)身后段的普通框的布置比較復(fù)雜，它主要受到水平尾翼和垂直尾翼總體布局的影響，考慮尾翼與機(jī)身的連接、尾翼的結(jié)構(gòu)布置，甚至機(jī)身尾部發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝等因素，除了正常布置的普通框外，在垂直尾翼連接區(qū)域還會(huì)布置斜框。

多數(shù)普通框都是Z 形和L 形剖面的板彎件組合體， 其材料為2024-T42 或LY12-CZ， 材料厚度， 機(jī)身上部普通框厚度比下部小一級(jí)。普通框的結(jié)構(gòu)剖面尺寸主要取決于框的結(jié)構(gòu)剛度不會(huì)引起機(jī)身的總體失穩(wěn)。

2 安-12 飛機(jī)普通框框緣具體分為兩種

一種是S 形板彎構(gòu)成；另一種框緣是由2 個(gè)型材和腹板組成的S形框。 在壁板裝配中由于壁板分塊、工藝要求等元嬰需要對(duì)普通框分段，并在分段處進(jìn)行對(duì)接；連接件一般用LY12 材料的帶班和連接板。

因框緣形狀的不同，具體對(duì)接形式也不一樣，連接形式也不一樣，總的說(shuō)來(lái)，分為以下幾種：

2.1 板彎框緣與板彎框緣的對(duì)接

板彎框緣與板彎框緣在長(zhǎng)桁處對(duì)接，內(nèi)框緣外側(cè)用一長(zhǎng)條形帶板連接，外框緣在彎邊內(nèi)側(cè)用角材連接，補(bǔ)償片延伸至下一長(zhǎng)桁邊緣處，以保證框緣腹板面的連接。

2.2 型材框緣與板彎框緣在長(zhǎng)桁處對(duì)接

型材框緣與板彎框緣在長(zhǎng)桁處對(duì)接， 內(nèi)框緣外側(cè)用連接板連接，外框緣處在板彎框緣與型材框緣立邊外側(cè)用連接板連接；補(bǔ)償片延伸至卜,一長(zhǎng)桁邊緣處，以保證框緣腹板面的連接；在補(bǔ)償片上，框緣對(duì)接處連接一加強(qiáng)板，以增加對(duì)接處腹板強(qiáng)度。

2.3 型材框緣與型材框緣的對(duì)接

型材框緣與型材框緣在長(zhǎng)桁處的對(duì)接形式與型材框緣與板彎框緣的對(duì)接形式類似，內(nèi)框緣外側(cè)用連接板連接，外框緣處在型材框緣立邊外側(cè)用連接板連接；補(bǔ)償片延伸至下一長(zhǎng)桁邊緣處，以保證腹板面的連接；在補(bǔ)償片上對(duì)接處連接一個(gè)加強(qiáng)板，以增加對(duì)接處腹板強(qiáng)度。

3 校核對(duì)接強(qiáng)度

框緣對(duì)接是典型的板彎框緣與板彎框緣的對(duì)接，內(nèi)框緣外側(cè)是由材料為L(zhǎng)Y12-δ3 的鋁合金連接板和3 個(gè)Φ4 鉚釘連接，外框緣內(nèi)側(cè)是由材料為L(zhǎng)Y12-δ2 的鋁合金角材和3 個(gè)Φ4 鉚釘連接。

Φ4 鉚釘許用剪切載荷[P]=314kg

根據(jù)強(qiáng)度報(bào)告，內(nèi)框緣σ1=509.4kg/cm2

內(nèi)框緣面積A1=0.57cm2

單個(gè)鉚釘剪力P1=σ×A1/3=509.4×0.57/3=96.8kg

單個(gè)鉚釘剩余強(qiáng)度系數(shù)η=[P]/P1=314/96.8=3.24

外框緣σ2=287.2kg/cm2

外框緣面積A2=0.57cm2

單個(gè)鉚釘剪力P2=σ×A2/3=287.2×0.57/3=54.6kg

單個(gè)鉚釘剩余強(qiáng)度系數(shù)η=[P]/P2=314/54.6=5.75

因此，此處對(duì)接強(qiáng)度滿足要求。

［1］飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè):第9 冊(cè) 載荷、強(qiáng)度、剛度[M].航空工業(yè)出版社.