民用飛機后壓力框與機身連接的結構研究

徐 丹 /

(中航沈飛民用飛機有限責任公司，沈陽110013)

0 引言

后壓力框與機身的連接站位為機身氣密與非氣密隔離區[1]，好的連接方案不僅能給客艙提供持久穩定的氣壓環境，還可為飛機的裝配與維修提供開闊的空間；除滿足上述要求外，連接結構追求低成本設計[2]。在設計初期，由于設計輸入不完整，從而對連接方案的構型選擇不明確。本文選取成熟機型的連接方案，從多專業角度分析連接結構，對影響連接結構構型的因素進行論述，為結構設計人員做構型選擇提供思路。

1 載荷分析

后壓力框和機身壁板通過連接件連接構成氣密艙結構，氣密艙結構除了承受飛行載荷及地面載荷外，還需要承受CCAR-25.365增壓載荷[3]。因此連接結構需將后壓力框在飛行過程中可能出現的正負壓差載荷傳遞到機身結構上，若后壓力框和垂尾接頭布置在同一框站位，連接結構還需承受突風和偏航時垂尾安裝接頭傳來的集中拉、壓載荷。連接結構必須能夠承受飛機在整個使用期限內可能遭遇的最大載荷并按損傷容限準則設計，滿足飛機使用壽命要求[4]。

2 連接方案

后壓力框與機身的連接結構是根據載荷傳遞特點設計安全有效的結構將載荷相互傳遞。在設計中后壓力框追求用較小半徑的球面以薄膜應力[5]來承受機身增壓載荷，然而這種設計方案會由于機身外形在后壓力框站位不是完整的圓而不能將后壓力框直接連接到機身壁板結構上，所以在設計中會根據實際機型的布置采取折中的方案。

后壓力框和機身連接的典型方案主要為外接和內接兩種，外接方案為設計連接件將后壓力框蒙皮直接連接到機身壁板結構。內接方案為壓力框蒙皮不直接連接到機身壁板，而是與機身的環框及其他加強結構連接，載荷通過機身框和加強結構再傳遞。

2.1 外接方案

外接方案的最大特點是載荷傳遞直接，連接結構數量少，外接方案在空客A380、波音787、龐巴迪C系列等機型上有應用。

2.1.1 方案一

后壓力框為徑向加筋的復合材料件，后壓力框與機身殼體通過內外側兩個鈦合金角形件進行連接，在增壓一側布置帶板使壓力框蒙皮與機身壁板的連接為雙剪連接，該方案偏心小，能獲得非常好的疲勞性能。角形件將后壓力框上的載荷一部分傳到機身壁板，一部分直接傳給環框結構。環框與角材R區之間的區域為疲勞敏感區，如圖1所示，該區域的連接件外形需要額外設計曲面，不是常規的R區。該曲面與環框之間的距離盡量縮小以減小彎曲力臂，降低局部彎曲應力水平，提高結構疲勞壽命，因此需要額外設計一個曲面作為后壓力框與機身連接的根部連接面。

圖1 外接方案一示意圖

2.1.2 方案二

后壓力框為格柵結構復合材料件，將連接件與機身框的外緣條復合設計成一個剖面為“Y”形的鈦合金整體件，后壓力框蒙皮與“Y”形緣條搭接連接，如圖2所示。后壓力框的載荷一部分傳到機身壁板上，一部分傳到環框結構上。傳到環框上的載荷分為徑向和縱向兩個方向，徑向載荷與機身的增壓載荷抵消一部分，縱向載荷需要在環框腹板上設計穩定角板以增加腹板的穩定性。

圖2 外接方案二示意圖

外接方案的后壓力框蒙皮外形曲面一般為雙曲面，雙曲面的設計受拱高、半徑范圍、曲面與機身外形的夾角等多參數影響。后壓力隔框與后機身外形的夾角從壓力框蒙皮受力考慮設計得越小越好，但這會使后壓力框與非增壓段壁板之間的空間狹小，該區域的緊固件安裝空間苛刻，安裝質量不穩定，且非增壓區的機身壁板上第一排釘和增壓區機身壁板最后一排釘的釘間距偏大，間距過大會導致釘間失穩，因此后壓力框外形曲面與后機身外形的夾角需要嚴格控制。

2.2 內接方案

內接方案可為球面框外形曲面的設計提供一個完整的球面，球面受載好，但是該方案載荷傳遞不直接，連接結構數量多，內接方案在空客A320和A350等機型上有應用。

2.2.1 方案一

圖3 內接方案一示意圖

承壓蒙皮和連接結構均為鋁合金，承壓蒙皮增壓一側設計帶板進行連接，帶板上第一排緊固件傳遞的載荷較小，減小了二次彎曲，獲得較好的靜力和疲勞特性。帶板設計在增壓一側將疲勞敏感區露在結構外側，可檢性好，環框前部需要設計加固隔板增加環框框腹板的穩定性，連接方案如圖3所示。該方案中機身環框剖面較復雜，需要大尺寸的厚板機加制造，材料利用率低，加工成本高。

2.2.2 方案二

后壓力框承壓蒙皮為復合材料結構，設計鈦合金“Y”型件將承壓蒙皮連接到機身環框，如圖4所示。環框前部布置縱向加強件將隔框上的載荷傳遞到機身結構上，承壓蒙皮和“Y”型件的連接之間設計為搭接，連接簡單，易于裝配。該連接方案比方案一采用的整體機加方案材料利用率更高，制造成本更低，材料可選擇，有更好的設計空間。

圖4 內接方案二示意圖

內接方案的布置使后壓力框與機身壁板之間獲得較大空間，能確保連接位置緊固件的穩定安裝，同時也為后部結構的設計和布置提供空間。但該方案承壓蒙皮上的載荷傳遞到機身壁板時有較大的二次彎曲，且環框前部需要設計縱向結構增加框腹板的穩定性，導致零件數量多，裝配關系復雜，結構增重。

2.3 方案分析

后壓力框傳給機身的載荷受壓力框外形曲面的影響，表1為某型飛機的外形曲面參數對應的應變水平。好的壓力框外形曲面能降低傳給機身的應力水平，因此首先需要將曲面的設計和壓力框與機身的連接進行聯合設計。外接方案中壓力框外形曲面受機身外形的影響，更改困難，且基于當前針對雙曲面壓力框結構的校核方法不夠成熟，如果沒有足夠的試驗支撐，該方案應用到機型上存在風險。內接方案的后壓力框外形面受機身外形的影響較小，環框高度可設計，可為壓力框外形面提供一個理想邊界，即壓力框蒙皮外形曲面可設計為一個球面，球面受力好，是壓力框承壓蒙皮的理想曲面。但綜合考慮其他方面的設計要求，內接方案壓力框外形面不一定是球面，譬如A350采用的是非正球內接方案。

表1 某飛機后壓力框修形曲面對應的受載情況

其次,需要考慮連接結構的可制造性。復合材料的后壓力框連接結構一般優先選用鈦合金材料，但鈦合金結構成型比鋁合金結構成型更困難，成本更高且制造周期更長，尤其是鈦合金厚板/鍛件的機加，所以當選用鈦合金連接結構時會優先考慮內接方案。外形為規則的球面結構可降低制造難度，雙曲面外形結構存在制造風險。

再次，還需要考慮壓力框站位系統通路問題；內接方案的系統開孔只能布置在壓力框蒙皮上，對需要平面安裝的系統接頭需要額外設計系統支架與壓力框蒙皮進行連接，系統支架屬于次結構，在設計中應盡量減少次結構的布置，且增加的緊固件孔影響結構的疲勞性能；壓力框蒙皮若是金屬鈑金薄板類結構，開口尺寸大于一定值時還需要額外設計加強件進行加強。內接方案則可將大部分系統開口布置在機身環框腹板上，機加件上的開口加強設計則相對簡單，且該設計符合將主要系統安裝與主結構一體化的設計要求。

最后，后壓力框與機身的連接受垂尾前梁布置的影響，垂尾前梁布置的位置是壓力框與機身連接方案的重要考慮因素但不是決定方案選型的唯一因素。一般情況下，垂尾前梁和壓力框站位相同時，該站位需要設計加強框和縱向加強件，載荷傳遞復雜，傾向于選擇內接方案；也可在垂尾連接區域選擇內接方案，環向其他區域選擇外接方案的混合連接方式；當垂尾前梁和壓力框布置的位置間隔距離夠大時，壓力框與機身連接位置載荷相對簡單，傾向于選擇外接方案。

2.4 方案總結

綜上，外接和內接兩種連接方案的優缺點如表2所示。

表2 外接與內接方案的優缺點

在實際機型應用中，可在概念設計階段根據機身外形和后壓力框布置站位，對內接方案和外接方案中后壓力框與機身之間載荷傳遞的應力水平進行比較和分析，并從結構的選材、疲勞壽命、裝配復雜性、結構總重量以及制造成本和結構生產效率等多方面進行綜合評估[7]，選擇滿足飛機所有設計要求的連接方案；表3和表4為某飛機在研制階段對內接方案和外接方案做的比較研究。

表3 某飛機內接與外接方案載荷分析

表4 內接與外接結構連接結構零件數量

3 結論

本文詳細介紹了后壓力框與機身連接的外接方案和內接方案，提出了影響方案選擇的關鍵因素，分析了兩種連接方案在實際機型應用中存在的問題，總結了兩種連接方案的優缺點并提出如何進行方案選擇，為后壓力框與機身連接的結構選型和結構設計提供參考。