基于CATIA的飛機機身結構設計

摘 要：本文以飛機機身結構為研究對象，進行機身結構設計。首先確定了機身的結構形式和結構布局，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，完成了飛機的橫向構件隔框和縱向構件長桁和梁的設計，并確定了構件的結構尺寸。最后利用CATIA三維模型軟件完成了飛機機身零件的三維建模和各部件的裝配。

關鍵詞：機身；結構設計；CATIA

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

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

1 隔框設計

機身隔框是飛機橫向骨架的主要構件，同時也是機身的維形件，用來維持和形成機身截面形狀。本次一共設計了10段隔框。第一框的設計主要考慮發動機的推力對框的載荷。第二框在機艙位置，要考慮飛機擋風玻璃的形狀大小和飛機艙門大形狀大小和位置，還要考慮與操縱系統踏板的連接。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計基本相同，主要功能是維持機身截面形狀，分散長桁由彎矩和扭矩產生的剪流，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，并維持機身的截面形狀。第十框是飛機機身的最后一個隔框，維持機身尾部的外形，同時機身的縱向長桁和垂尾后墻在此框連接。

2 梁的設計

飛機機身的梁是將飛機的各個隔框連接成一個整體，同時將力沿著機身的縱向將力傳到飛機的框上。本次設計了3根梁，分別是上梁、中梁和下梁。飛機的上梁分為飛機機翼連接點間橫梁和連接橫梁的縱向梁。橫梁設計成帽形梁，用于安放機翼和機身連接的接頭，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翼上耳片的通過。縱梁是連接橫梁的縱向構件，設計成雙緣條腹板結構，緣條傳遞橫梁緣條的拉力，腹板來分散橫梁腹板的剪流。

設計中梁的目的就是為了將發動機的推力傳到后機身隔框，同時維持機身的截面形狀。這根梁的位置在發動機上安裝點的位置，將發動機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。

下梁維持機身底部的截面形狀，將飛機縱梁設計成一個帽形梁，在飛機升降時，機身發生彎曲變形，這時靠梁來承受飛機彎曲時產生的軸力，并將其傳到框上。

3 長桁的設計

機身的縱向長桁設計成Z形長桁，長桁的緣條傳遞機身彎曲產生的軸力，腹板傳遞剪流。第五框和第六框之間有四根長桁，飛機底部和頂部分別有兩根，并且關于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 蒙皮的設計

蒙皮的設計主要是蒙皮的分塊和蒙皮的連接問題。本次的飛機機身結構選用半硬殼式機身，蒙皮形成機身的氣動外形，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。根據飛機的整體布局來看，一框和二框除飛機擋風玻璃外沒有大開口，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。飛機頂部的按照飛機中央翼的外形設置一整塊蒙皮。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

通過分析機身結構的承力系統、結構布局和傳力路線，并基于 CATIA 設計了飛機機身結構，對飛機結構設計有著重要意義。

參考文獻：

[1]李學志.CATIA V5實用教程[J].清華大學出版社，2004.

[2]李為吉.現代飛機總體綜合設計[J].西北工業大學出版社，2001.

[3]王志謹.飛機結構設計[J].國防工業出版社，2002.

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