半硬殼式金屬機(jī)身桶體結(jié)構(gòu)布置方法

李柯楠　陸丹

【摘 要】本文以典型半硬殼式金屬機(jī)身桶體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，根據(jù)機(jī)身受載情況給出典型的機(jī)身桶體結(jié)構(gòu)布置形式。

【關(guān)鍵詞】半硬殼式；機(jī)身桶段結(jié)構(gòu)布置

0 前言

機(jī)身是飛機(jī)的最主要承力結(jié)構(gòu)之一。按飛機(jī)的總體布置，機(jī)身的剖面是一個(gè)有相當(dāng)高度和寬度的兩端收縮的桶體。廣泛使用的民用飛機(jī)機(jī)身都是由一系列框支撐的加筋蒙皮壁板構(gòu)成。研究機(jī)身的配置是一個(gè)涉及面廣直接影響結(jié)構(gòu)效率的十分重要的核心問(wèn)題。

1 機(jī)身通體概述

在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)中，針對(duì)機(jī)身的幾何形狀和受力特點(diǎn)，機(jī)身桶體配置的要素有三個(gè)方面，首先是蒙皮的厚度；其次是加筋件（長(zhǎng)桁或梁）的數(shù)量、面積及分布；而后是支持框的剛度與框的分布間距。機(jī)身結(jié)構(gòu)一般選擇結(jié)構(gòu)效率高的由薄壁蒙皮、加筋長(zhǎng)桁、支承框構(gòu)成的典型的半硬殼式結(jié)構(gòu)形式，主要的受力構(gòu)件蒙皮和長(zhǎng)桁都盡可能布置在遠(yuǎn)離中心軸的外形邊上，以獲得最高度結(jié)構(gòu)效率，如圖1。

2 材料選擇

材料選擇主要考慮零件工作狀態(tài)的應(yīng)力形式，一般受拉區(qū)域的結(jié)構(gòu)件選擇抗疲勞性能好和裂紋擴(kuò)展速率低的材料。

對(duì)于金屬機(jī)身桶段設(shè)計(jì)，蒙皮通常采用2000系列的鋁合金，現(xiàn)在也可以選擇力學(xué)性能更好的鋁鋰合金，對(duì)增壓艙蒙皮絕對(duì)不能選擇7000系列的鋁合金。長(zhǎng)桁可根據(jù)受力的大小選擇2000系列或者7000系列的鋁合金。框在各個(gè)不同部位剖面應(yīng)力狀態(tài)不盡相同，有的部位為受拉區(qū)，有的部位為受壓區(qū)，切面上有彎矩。可都選用2000系列鋁合金，也可在主要為受壓工作狀態(tài)的下部選用7000系列鋁合金。

3 機(jī)身桶體結(jié)構(gòu)布置

3.1 蒙皮

機(jī)身蒙皮的厚度需要考慮承受軸向力、二個(gè)方向剪切力、二個(gè)方向的彎矩、扭矩及座艙壓差載荷的作用下有足夠的強(qiáng)度與適當(dāng)?shù)膭偠龋涔ぷ鲬?yīng)力應(yīng)該小于元件允許的許用應(yīng)力。飛機(jī)各部位受載情況不一致，在不同的位置的蒙皮應(yīng)該配置不同的厚度才能獲得較高的結(jié)構(gòu)效率。因此，在設(shè)計(jì)中通常采取的方法是：

a）首先按照蒙皮的主要工作狀態(tài)選擇一個(gè)最小的蒙皮厚度，作為蒙皮厚度的基點(diǎn)；

b）而后再考慮各處不同的承載要求，分區(qū)進(jìn)行必要的加厚。

民用飛機(jī)機(jī)身的大部分是增壓艙，增壓艙的蒙皮需要承受氣密載荷，蒙皮面內(nèi)應(yīng)力有環(huán)向應(yīng)力τyz和縱向應(yīng)力σx，如2所示，其中環(huán)向應(yīng)力為縱向應(yīng)力的2倍，其大小分別為：

τyz=ΔpR/t，σx=ΔpR/2t

由于氣密載荷是反復(fù)加載的疲勞載荷，因此在保證規(guī)定的使用壽命時(shí)，對(duì)于蒙皮的應(yīng)力必須進(jìn)行有效的控制。通常的做法是通過(guò)適當(dāng)控制的1G狀態(tài)的工作應(yīng)力水平，以保證飛機(jī)有一定的工作壽命。

因此，對(duì)于增壓艙，一般用一個(gè)規(guī)定的1ΔP工作狀態(tài)的應(yīng)力，以確定機(jī)身蒙皮的最小厚度，一般可以將1ΔP工作狀態(tài)下的應(yīng)力控制在70MPa～100MPa。使用環(huán)向應(yīng)力σ=ΔPR/t來(lái)估算蒙皮化銑區(qū)最小厚度t，機(jī)身截面中不同半徑的蒙皮區(qū)域需分開(kāi)處理。具體設(shè)計(jì)時(shí)還需兼顧考慮與其它載荷組合的影響。

3.2 框

機(jī)身結(jié)構(gòu)中的框?qū)C(jī)身桶體起支撐作用。框的剛度與框間距離的選擇也對(duì)蒙皮厚度的選擇有一定的影響。一般的旅客機(jī)和運(yùn)輸機(jī)框的間距離在16～21英吋之間，縮小框間距離，增加框的密度，則可以明顯降低此附加彎曲應(yīng)力。

3.3 長(zhǎng)桁

長(zhǎng)桁作為壁板的加筋件，其主要功用是與蒙皮組合構(gòu)成承力的加筋板，加筋板構(gòu)成的整個(gè)桶體的承受截面的軸力、二個(gè)方向的剪力、二個(gè)方向彎矩和扭矩。長(zhǎng)桁的功用是主要承受軸力和彎矩引起的軸向力。保持結(jié)構(gòu)完整性的條件是其拉伸或壓縮的工作應(yīng)力應(yīng)小于其材料的許用應(yīng)力，元件的鄰界失穩(wěn)應(yīng)力。長(zhǎng)桁的布置既要考慮提供桶體的整體剛度，同時(shí)還應(yīng)該考慮剖面因開(kāi)口造成結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的元件應(yīng)力提高，往往需要布置相應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)件，考慮在某些部位桶體承受及傳遞局部載荷的需要。因此在長(zhǎng)桁數(shù)量及分布時(shí)推薦下列幾個(gè)布置原則：

（1）按總體布置的要求，首先確定關(guān)鍵長(zhǎng)桁的位置。按以下四個(gè)方面要求選擇關(guān)鍵長(zhǎng)桁：

a）考慮因機(jī)身開(kāi)口需要的縱向加強(qiáng)件位置，對(duì)于民用飛機(jī)一般指：登機(jī)門開(kāi)口，服務(wù)門開(kāi)口，應(yīng)急出入開(kāi)口，貨艙門開(kāi)口，前起落架艙開(kāi)口，設(shè)備艙艙門開(kāi)口等。關(guān)鍵長(zhǎng)桁位置點(diǎn)不應(yīng)該簡(jiǎn)單地直接選擇開(kāi)口邊緣，而應(yīng)該結(jié)合加強(qiáng)構(gòu)件的剖面特征，考慮與前后構(gòu)件的有效方便的連續(xù)連接，慎重選取合適的點(diǎn)位面作為長(zhǎng)桁節(jié)點(diǎn)。

b）剖面發(fā)生劇烈變化區(qū)域的加強(qiáng)件的位置。例如機(jī)翼機(jī)身對(duì)接區(qū)的縱向受力件布置要求，主起落架艙區(qū)的龍骨梁布置要求。

c）承受有集中載荷的地板梁位置。

d）承受機(jī)身內(nèi)設(shè)備布置固定的載荷的要求。例如重量較大的組合設(shè)備支架的支撐點(diǎn)，客艙行李箱的支持架的支撐點(diǎn)等。

（2）長(zhǎng)桁間距主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和穩(wěn)定性確定。

（3）在確定關(guān)鍵長(zhǎng)桁位置后，一般是在關(guān)鍵長(zhǎng)桁形成的分段內(nèi)均分。為提高承載效率，原則有以下2條：

a）是在受拉區(qū)節(jié)距可適當(dāng)大一些，在受壓區(qū)節(jié)距相對(duì)小一些，

b）機(jī)身半徑小則節(jié)距可適當(dāng)大一些，反之則可相對(duì)小一些。

（4）通常的長(zhǎng)桁剖面形狀有Z形、2形、L形等，不同部位的長(zhǎng)桁與結(jié)構(gòu)件的連接有不同的要求，如果除與蒙皮連接外，還需要與其他零件連接，則需要按連接要求設(shè)置一定寬度、厚度的連接邊。

4 結(jié)論

機(jī)身是飛機(jī)的主要部件，也是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，本文的研究充分利用成熟的理論及飛機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，給出典型機(jī)身桶體的結(jié)構(gòu)布置方法以供參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]牛春勻，酈正能.實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)[M].航空工業(yè)出版社，2008.

[2]《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第10章[Z].

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint