飛機機身壁板上小開口的設計方法探討

柳　醉 /

(上海飛機設計研究院，上海201210)

0　引言

為實現飛機的某些功能或屬性(例如門、窗、維護、檢修、通過液壓管路、通過電氣線束、系統排氣等)，飛機機身壁板上經常需要設計一些開口結構，優秀的開口設計可在某種程度上體現出飛機的先進性。按直徑的相對大小可將開口大致分為大開口、中等開口和小開口。一般來說，登機門、服務門、貨艙門、起落架艙門、輔助動力裝置(Auxiliary Power Unit, 簡稱APU)艙門等屬于大開口；維護口蓋、窗框、推力回收活門(Thrust Recovery Value, 簡稱TRV)口、高低壓充氣口等屬于中等開口；其它諸如通氣口、排氣口、天線開口、線束開口、液壓/燃油管路開口等可定義為小開口。由于開口區存在應力集中，而且開口區的靜力和疲勞設計也往往缺乏足夠的數據，故開口區的結構設計與分析通常較非開口區顯得困難。本文僅討論和分析小開口的設計方法。

1　機身壁板上的小開口結構形式

小開口，顧名思義，就是尺寸相對較小的開口。小開口可以位于機身的各個部位，以側下部和下部居多；其開口形狀可按需而定，一般以圓形、橢圓形、方形為主，其它不規則的形狀由于應力集中過于嚴重而較少使用，少數特殊部位如需使用也應采取附加措施以減輕不利影響；圖1所示為飛機機身壁板上典型的小開口形狀。

圖1　飛機機身壁板上典型的小開口

壁板上的小開口有時會增加結構的重量，因為小開口的存在會破壞載荷傳遞的路徑，使原有的結構效率降低，有時需要適當增加開口附近結構的強度來承受原開口處應承受的載荷以及由于載荷重新分布而產生的一些力。一般來說，壁板上的小開口應按照其對結構的影響程度來決定是否采取補強措施及采取何種補強措施；由于小開口尺寸相對較小，故其對結構完整性的影響也是局部性的；對位于低載荷區的小開口，如開口后結構的強度裕度能滿足設計要求，則可以考慮不設計額外的補強結構以節省機體重量；對位于中、高載荷區的小開口，開口周圍需要設計額外的補強結構來承受和傳遞載荷。小開口的補強方法有很多，一般采用簡單且有高結構效率的設計方案，例如加強板、凸緣、口框等；圖2所示為飛機機身壁板上小開口的典型補強方案。

圖2　飛機機身壁板上小開口的典型補強方案

2　小開口結構的載荷分析與補強設計

2.1 開口后的載荷分析

一般來說，機身壁板上的小開口結構必須要在蒙皮上開口，有時還因特殊情況要斷開長桁；顯然，機身壁板傳力結構的連續性將在開口處中斷，而且開口尺寸的大小和斷開長桁的根數對補強結構的設計有著直接影響。目前國內外現役民用飛機的相關設計經驗表明，為了彌補開口對機身壁板傳力連續性的破壞，一般可以采用兩種方式：一種是在蒙皮開口的周圍布置口框等構件，利用口框等構件的抗彎曲性能將載荷傳走；另一種是對薄壁結構(機身蒙皮)進行強化(采用加強板、凸緣等)，使開口區的結構仍然能有效地參與受力和傳載。具體設計時可根據實際情況綜合采用上述兩種方法。

本文所討論的小開口結構位于機身壁板上，屬于半硬殼式結構開口，其對飛機的總體受力影響有限，一般在開口周圍進行局部加強即可減輕甚至抵消開口對受力和傳載造成的不利影響。

開口位于蒙皮上時，通常會對蒙皮剪流產生一定的影響。由《飛機設計手冊》第10冊，結構設計第242頁的分析可知，機身蒙皮上開口、后開口周圍的應力分布會發生變化，開口的上下左右均得到大于原始剪流的值，而開口的四角區域內均得到小于原始剪流的值。

技 術 研 究

2.2 典型的補強設計

現代民用飛機一般都采用薄蒙皮結構，由2.1節可知蒙皮上的開口將對蒙皮內的剪流分布產生影響，為了彌補開口對飛機結構強度及剛度性能造成的不利影響，結構工程師通常會在開口周圍設計加強板來緊貼蒙皮開口表面。

圖3　蒙皮上的小圓口示意圖

以機身蒙皮上的小尺寸圓形開口為例，探討小開口的影響及其通用的加強原則。此處的小開口設定為位于半硬殼式機身的兩根縱向桁條之間，直徑不大于桁距的40%，如圖3所示。圓形開口的應力集中系數相對較小，且此處開口的尺寸也相對較小，故其對機身蒙皮剪流的影響也小，只有非常接近開口的部分才會稍微受到載荷重新分布的影響。按經驗，此處一般會使用環形加強板來補強，且加強板的設計需遵行以下原則：(1)加強板的厚度比蒙皮的厚度大1～2級為宜(每級的厚度可定為0.2 mm)，其材料一般與蒙皮相同即可，在特別關鍵的區域也可選用性能更好的材料；(2)加強板的面積不小于開口面積的1.5倍；(3)固定加強板的緊固件必須能承受開口周圍的剪切載荷。以上幾條原則在設計開口加強板的時候經常用到，圖4為加強板的設計示意圖。

圖4　蒙皮上的環形加強板設計示意圖

另外，為提高蒙皮補強區的穩定性及傳載效率，加強板的周邊最好能分別伸到開口邊桁條和邊框下部并與其共鉚；在高載荷區，尤其是機體的疲勞關鍵區，為降低應力集中、改善開口區在增壓艙載荷下的疲勞性能、并保證機身壁板的軸向載荷和蒙皮的剪切載荷能在開口補強區平穩地傳遞，加強板的兩邊(軸向載荷方向上)甚至四邊可設計成波浪形邊緣；另外，為避免造成蒙皮的剛度突變，進而產生局部硬點破壞，在開口附近的長桁端頭的立邊最好能進行斜削設計，斜削角(定義為斜削面與長桁軸線的夾角)以30°左右較為合適，如圖5所示。凸緣的設計思路與加強板相同，一般由材料整體加工而成。

圖5　壁板上小開口處的薄壁強化設計

3　機身小開口結構的設計要求

按照經驗，機身壁板上的小開口數量眾多，每一處開口都會對結構的完整性造成一定的影響，這種影響主要體現在強度方面，結構工程師應盡量將開口布置在載荷較低的位置，以簡化補強結構的設計、提升機體的效率。

飛機設計中，一般認為腐蝕和疲勞具有同等的破壞力，且很多疲勞破壞都是由腐蝕引起的，所以飛機結構的防腐蝕設計很重要；對于機身壁板上的小開口來說，防腐蝕設計是結構工程師必須要考慮的，尤其是在機身下側污染物比較容易聚集的部位，現在的民用飛機下半部一般采用底漆加面漆的表面處理方法以對抗環境腐蝕，在環境更惡劣的區域(例如廚房和盥洗室下部)還增加使用防腐蝕抑制劑。

對位于氣密增壓區的小開口來說，氣密性設計是很重要的；為保證氣密性，氣密堵件、加強墊板等結構件和蒙皮之間除了貼面密封之外，一般還需要在零件的邊緣進行填角密封。

4　結論

本文詳細分析和探討了飛機機身壁板上小開口的設計，從中可發現，優秀的開口設計對飛機的重量控制、疲勞壽命等方面均有非常積極的作用，其設計過程需要綜合考慮開口區域載荷分布、強度、剛度、位置布置、防腐蝕、氣密性等設計因素。