基于CATIA的飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘 要：本文以飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)為研究對象，進(jìn)行機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計。首先確定了機(jī)身的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)布局，然后分析了各部件的受力特性和各部件間力的傳遞方式。通過各部件的受力特點和傳力特點，完成了飛機(jī)的橫向構(gòu)件隔框和縱向構(gòu)件長桁和梁的設(shè)計，并確定了構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸。最后利用CATIA三維模型軟件完成了飛機(jī)機(jī)身零件的三維建模和各部件的裝配。

關(guān)鍵詞：機(jī)身；結(jié)構(gòu)設(shè)計；CATIA

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.039

機(jī)身是飛機(jī)的重要部分，它主要安置空勤組人員、旅客，裝載燃油、武器、設(shè)備和物品，并把機(jī)翼、尾翼、起落架及發(fā)動機(jī)連接在一起，形成一架完整的飛機(jī)。這些部件通過固定在機(jī)身上的接頭，把作用在各部件上的載荷都傳遞到機(jī)身上，和機(jī)身上其他的載荷一起達(dá)到全機(jī)受力平衡，因此可以說機(jī)身是整架飛機(jī)的受力基礎(chǔ)。現(xiàn)代飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)是由縱向元件（沿機(jī)身縱軸方向）—長桁、梁和垂直于機(jī)身縱軸的橫向元件—隔框以及蒙皮組成。

1 隔框設(shè)計

機(jī)身隔框是飛機(jī)橫向骨架的主要構(gòu)件，同時也是機(jī)身的維形件，用來維持和形成機(jī)身截面形狀。本次一共設(shè)計了10段隔框。第一框的設(shè)計主要考慮發(fā)動機(jī)的推力對框的載荷。第二框在機(jī)艙位置，要考慮飛機(jī)擋風(fēng)玻璃的形狀大小和飛機(jī)艙門大形狀大小和位置，還要考慮與操縱系統(tǒng)踏板的連接。第三框位于座艙位置，位于艙門正下方。第四框在機(jī)艙位置，四框前面為座艙后面為貨倉，在座艙和貨倉的連接處。第五框下部分與貨倉地板后緣和底部的四根縱梁連接。第六框不受到集中力作用，其主要功用就是維持機(jī)身的截面形狀，分散一部分長桁帶來的剪流。第七框和第六框的設(shè)計基本相同，主要功能是維持機(jī)身截面形狀，分散長桁由彎矩和扭矩產(chǎn)生的剪流，不受集中力作用。第八框位于平尾的位置，平尾前墻要在此處與框連接，除此之外該框還要維持機(jī)身的截面形狀。第九框在平尾的位置，與平尾的后墻連接，并維持機(jī)身的截面形狀。第十框是飛機(jī)機(jī)身的最后一個隔框，維持機(jī)身尾部的外形，同時機(jī)身的縱向長桁和垂尾后墻在此框連接。

2 梁的設(shè)計

飛機(jī)機(jī)身的梁是將飛機(jī)的各個隔框連接成一個整體，同時將力沿著機(jī)身的縱向?qū)⒘鞯斤w機(jī)的框上。本次設(shè)計了3根梁，分別是上梁、中梁和下梁。飛機(jī)的上梁分為飛機(jī)機(jī)翼連接點間橫梁和連接橫梁的縱向梁。橫梁設(shè)計成帽形梁，用于安放機(jī)翼和機(jī)身連接的接頭，在帽形梁的底部做出和接頭兩耳片間寬度相同的凹槽用于機(jī)翼上耳片的通過。縱梁是連接橫梁的縱向構(gòu)件，設(shè)計成雙緣條腹板結(jié)構(gòu)，緣條傳遞橫梁緣條的拉力，腹板來分散橫梁腹板的剪流。

設(shè)計中梁的目的就是為了將發(fā)動機(jī)的推力傳到后機(jī)身隔框，同時維持機(jī)身的截面形狀。這根梁的位置在發(fā)動機(jī)上安裝點的位置，將發(fā)動機(jī)傳到框上的力通過這根梁傳到第二框。考慮到梁和兩個框的連接問題。將梁在兩個框的連接位置各伸出一個耳片和兩連接。在連接處耳片和梁的腹板干涉，將梁的腹板打下陷，采用鉚接連接。

下梁維持機(jī)身底部的截面形狀，將飛機(jī)縱梁設(shè)計成一個帽形梁，在飛機(jī)升降時，機(jī)身發(fā)生彎曲變形，這時靠梁來承受飛機(jī)彎曲時產(chǎn)生的軸力，并將其傳到框上。

3 長桁的設(shè)計

機(jī)身的縱向長桁設(shè)計成Z形長桁，長桁的緣條傳遞機(jī)身彎曲產(chǎn)生的軸力，腹板傳遞剪流。第五框和第六框之間有四根長桁，飛機(jī)底部和頂部分別有兩根，并且關(guān)于xy平面對稱。頂部左邊長桁腹板所在平面和xy平面夾角為12°，上、下緣條的寬度為20mm，腹板寬度20mm，厚度1mm。

4 蒙皮的設(shè)計

蒙皮的設(shè)計主要是蒙皮的分塊和蒙皮的連接問題。本次的飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)選用半硬殼式機(jī)身，蒙皮形成機(jī)身的氣動外形，蒙皮不同程度的受軸向外力和全部的剪力和扭矩。蒙皮的分塊會影響飛機(jī)的氣動性能，但蒙皮的分割又是不可避免的，所以就要盡量的減少蒙皮的分割。根據(jù)飛機(jī)的整體布局來看，一框和二框除飛機(jī)擋風(fēng)玻璃外沒有大開口，二框和四框之間為艙門的位置，所以一框和二框的基準(zhǔn)將蒙皮分割。二框和四框間蒙皮用之前的平面分割為上下兩部分。四框和五框間的蒙皮有貨倉玻璃的開口，因此用此位置長桁腹板上15mm處的平面將蒙皮分為上下兩部分。飛機(jī)頂部的按照飛機(jī)中央翼的外形設(shè)置一整塊蒙皮。五框六框件蒙皮沒有開口，因此按照前段蒙皮相同的分割面將蒙皮分為上下兩部分。六框到十框的蒙皮按照相同的分割面分割，上部分為整塊蒙皮，下部分用飛機(jī)對稱面分割為左右兩部分。蒙皮的連接采用對接，在框、梁和長桁的緣條上采用鉚接連接。

5 小結(jié)

通過分析機(jī)身結(jié)構(gòu)的承力系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)布局和傳力路線，并基于 CATIA 設(shè)計了飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計有著重要意義。

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作者簡介：霍雨佳（1994-），男，山西朔州人，碩士，研究方向：飛機(jī)設(shè)計與制造。