民用飛機(jī)翼身對接斜撐板結(jié)構(gòu)分析

湯平，劉婷，張明星

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度工程技術(shù)所，上海 201210)

0 引 言

翼身對接結(jié)構(gòu)是飛機(jī)外翼載荷傳遞轉(zhuǎn)換到機(jī)身的關(guān)鍵部位，此處載荷大，協(xié)調(diào)復(fù)雜[1]。對接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與中央翼的形式、對接界面的位置密切相關(guān)。目前先進(jìn)民用飛機(jī)中央翼是在左右對接肋間為等直段，中央翼獨(dú)立成為一部件，和外翼有明確的對接界面。外翼中央翼后梁對接結(jié)構(gòu)和起落架艙上緣會形成開口轉(zhuǎn)折區(qū)，轉(zhuǎn)折區(qū)的載荷大且結(jié)構(gòu)受限，通常會布置斜撐板結(jié)構(gòu)來過渡，以改善局部應(yīng)力分布[2]，使得傳力合理順暢。

苗強(qiáng)等[3]對某機(jī)型的斜撐板承載進(jìn)行了研究，并優(yōu)化分析了斜撐板的形狀和筋條布置；趙莉等[4]對斜撐板補(bǔ)強(qiáng)起落架艙的作用進(jìn)行了闡述，并分析了斜撐板和機(jī)身側(cè)壁板的載荷傳遞。

本文是對不同機(jī)型的斜撐板結(jié)構(gòu)的傳力特性進(jìn)行分析，總結(jié)斜撐板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。并以某機(jī)型選用斜撐板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程為例，提出一種設(shè)計(jì)方案，并與其他兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對比。

1 斜撐板的運(yùn)用

1.1 斜撐板概述

斜撐板結(jié)構(gòu)屬于中機(jī)身，在飛機(jī)中位置如圖1所示。

圖1 斜撐板在機(jī)身位置示意圖

圖1中可見斜撐板位于起落架艙開口的前上角部區(qū)域，其側(cè)邊連接在機(jī)翼后梁對接處，上邊連接在起落架艙的上緣處。起落架艙使得機(jī)身下方產(chǎn)生了大開口，破壞了原受力結(jié)構(gòu)的完整性、連續(xù)性[3]，斜撐板即是對此開口的加強(qiáng)。斜撐板區(qū)域載荷示意如圖2所示。

圖2 斜撐板區(qū)域載荷示意圖

從圖2可以看出：斜撐板位于多種(多路)載荷的交會位置，有利于其發(fā)揮分散載荷、減少應(yīng)力集中的重要作用。外翼升力載荷主要通過外翼后梁腹板傳遞到對接結(jié)構(gòu)上，再傳遞到后梁框和斜撐板[5]，外翼扭矩在對接肋的上/下緣條產(chǎn)生剪力，上緣條剪力主要傳遞到翼上側(cè)壁板，下緣條剪力傳遞到中央翼下壁板和斜撐板；起落架艙上緣承受機(jī)身彎矩造成的水平壓力，會傳遞到斜撐板；艙上壁板垂直方向的剪力會傳遞到斜撐板。

總之，在斜撐板的位置，既有垂直方向的剪力載荷，也有水平方向的剪力載荷。通過布置斜撐板，改變了對接肋后梁區(qū)的剛度分布，即重新分配了外翼載荷和機(jī)身載荷在該區(qū)域的分配比例，使得翼上區(qū)和艙上區(qū)的高應(yīng)力得到降低[6]。

具體斜撐板上邊連接的機(jī)身框根數(shù)，側(cè)邊連接對接接頭還是后梁框側(cè)邊，下邊是否連接對接帶板等，各機(jī)型都有各自的不同。

1.2 機(jī)型選用情況

鑒于斜撐板改善應(yīng)力分布的作用，民用客機(jī)大都布置有斜撐板，如表1所示。

表1 機(jī)型與斜撐板結(jié)構(gòu)

從表1可以看出：國際先進(jìn)民機(jī)代表的A320/A350飛機(jī)，波音737/波音787飛機(jī)都布置有斜撐板；A機(jī)型沒有斜撐板布置，這是和其機(jī)型規(guī)模較小、發(fā)動機(jī)尾吊布置有關(guān)的。

A機(jī)型是70座級的支線客機(jī)，發(fā)動機(jī)為尾吊布置，整機(jī)重心相對后移，距離外翼氣動力的合力點(diǎn)相對較近，飛行中需要尾翼壓力產(chǎn)生的平衡彎矩也相對較小；同時(shí)A機(jī)型整機(jī)重心距離起落架著地點(diǎn)也相對較近，在動著陸工況下，起落架瞬間沖擊時(shí)在機(jī)身產(chǎn)生的彎矩也相對較小；機(jī)翼后梁對接處及起落架艙開口前端處的應(yīng)力分布相對不是很嚴(yán)重；故不布置斜撐板。A機(jī)型重心及起落架位置如圖3所示。在飛機(jī)著陸的仰角范圍內(nèi)，整機(jī)重心垂線距離主起輪中心最大距離為137.53 mm。

圖3 A機(jī)型整機(jī)重心位置

B機(jī)型布置有斜撐板，發(fā)動機(jī)是翼吊布置，為150座級的干線飛機(jī)，其整機(jī)重心及起落架位置如圖4所示。在飛機(jī)著陸的仰角范圍內(nèi)，整機(jī)重心垂線距離主起輪中心最大距離為1 057.85 mm。

圖4 B機(jī)型整機(jī)重心位置

A機(jī)型空重=24 613 kg；偏心距Δ1=137.53 mm；偏心引起的彎矩M1=24 613×9.8×0.137 53=33 173.3 Nm；

B機(jī)型空重=46 358 kg；偏心距Δ2=1 057.85 mm；偏心引起的彎矩M2=46 358×9.8×1.057 85=480 590.1 Nm；

比較：n=M1∶M2=1∶14.5。

從n值可以看出：兩種機(jī)型由于發(fā)動機(jī)布局和機(jī)型大小的差別，造成斜撐板布置區(qū)受力狀況的很大不同，也造成兩種機(jī)型對斜撐板選擇的不同。

2 典型飛機(jī)斜撐板

2.1 A320飛機(jī)斜撐板

A320飛機(jī)斜撐板布置如圖5所示。

圖5 A320飛機(jī)斜撐板布置示意圖

A320飛機(jī)的斜撐板可以看作是機(jī)身側(cè)壁板的延伸，是蒙皮帶有長桁的壁板，和機(jī)身壁板不同的是斜撐板的長桁在蒙皮外側(cè)。斜撐板蒙皮為中機(jī)身4號和6號兩塊對稱的蒙皮，位于機(jī)身FR42～FR44處，材料為2024-T351，厚度為6.0 mm，可以傳遞較大的剪力。斜撐板的斜邊沿是U形板[7]。斜撐板結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 A320飛機(jī)斜撐板結(jié)構(gòu)示意圖

A320飛機(jī)后梁框框端是背靠背的兩塊U形板組成，如圖7所示。外翼升力載荷通過三叉接頭傳遞到后梁框綠色部分，再通過藍(lán)色部分的側(cè)邊傳遞到斜撐板，由于藍(lán)色部分的側(cè)邊沿機(jī)身外形切線方向內(nèi)傾，斜撐板分擔(dān)的外翼升力載荷相對較少。斜撐板不和對接帶板(連接外翼中央翼下壁板)連接，故不能分擔(dān)對接肋下緣條上因外翼扭矩而帶來的剪力。

圖7 斜撐板與后梁框連接示意圖

2.2 A350飛機(jī)斜撐板

A350飛機(jī)的斜撐板位置與A320飛機(jī)的類似，如圖8所示。

圖8 A350飛機(jī)斜撐板位置示意圖

A350飛機(jī)斜撐板側(cè)邊不是和后梁框連接，而是和機(jī)翼后梁對接的對接接頭(十字形)連接，斜撐板在外翼一側(cè)，和對接肋的肋腹板對齊，有利于外翼扭矩形成的面內(nèi)剪力的傳遞；外翼升力的一部分也直接由十字形接頭傳遞到斜撐板，再分散傳遞到機(jī)身側(cè)壁板。斜撐板的連接及結(jié)構(gòu)如圖9所示[8]。

圖9中斜撐板的斜撐邊和下緣條中央翼一側(cè)的側(cè)邊外伸段1排釘連接，連接部分很短，并不能使得斜撐板有效分擔(dān)外翼扭矩。

2.3 C系列飛機(jī)斜撐板

C系列某型飛機(jī)的斜撐板是一整塊加筋板，位置如圖10所示。

圖10 C系列某型飛機(jī)斜撐板

斜撐板的側(cè)邊和中機(jī)身后梁框的側(cè)邊單排釘連接，后梁框的側(cè)邊垂直地面，斜撐板分擔(dān)外翼升力較直接，但分擔(dān)的量不大，這從斜撐板只連接2個(gè)機(jī)身框也可得出；斜撐板下邊和對接帶板伸出部分連接，可以分擔(dān)部分外翼扭矩。

2.4 波音787飛機(jī)斜撐板

波音787飛機(jī)的斜撐板位置與A350飛機(jī)的類似，如圖11所示。

圖11 波音787飛機(jī)斜撐板位置示意圖

波音787飛機(jī)斜撐板的側(cè)邊和柔性連接件連接，連接件和后三叉接頭都是“T”形，背靠背連接；由于中機(jī)身沒有后梁框[9]，所以外翼升力大部分都通過斜撐板傳遞到機(jī)身，如圖12所示。斜撐板下邊和對接帶板連接，可以分擔(dān)外翼扭矩。

圖12 波音787飛機(jī)斜撐板結(jié)構(gòu)和連接

波音787飛機(jī)斜撐板的上邊和中央翼一側(cè)連接是通過一個(gè)側(cè)邊加強(qiáng)件，而側(cè)邊加強(qiáng)件是通過一根螺栓與中央翼一側(cè)的側(cè)邊加強(qiáng)件連接，螺栓如同銷子可以傳力，也可以作為旋轉(zhuǎn)軸[10]；斜撐板側(cè)邊連接的柔性連接件也可以轉(zhuǎn)動，斜撐板在外翼向機(jī)身傳遞載荷的協(xié)調(diào)變形時(shí)會轉(zhuǎn)動，如圖13所示。

圖13 波音787飛機(jī)斜撐板連接示意圖

波音787飛機(jī)斜撐板需要設(shè)計(jì)成可轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，這和翼上框的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是相關(guān)聯(lián)的。翼上框的端頭和對接肋上緣條連接是柔性連接接頭，如圖14所示[9]。

圖14中柔性接頭是由一個(gè)“T”形件和一個(gè)“∏”形件組成，框腹板上的剪力可以通過柔性接頭傳遞到對接肋的上緣條，而框的彎矩會因?yàn)槿嵝越宇^的變形得到釋放，如圖14所示。因外翼上壁板和翼上側(cè)壁板形成閉角[11]，當(dāng)外翼上壁板壓力傳遞到翼上側(cè)壁板，翼上側(cè)壁板會有向機(jī)身外側(cè)傾斜的變形趨勢，在靠近機(jī)翼后梁位置，外翼上壁板傳來的壓力非常大，靠近后梁的三根翼上框傾斜變形會很大，乃至需要在框端處加裝拉桿，以限制此變形，如圖13～圖14所示。

圖14 波音787飛機(jī)的翼上框及連接結(jié)構(gòu)

圖13中可見，艙上框的框端頭是剛性的短橫梁結(jié)構(gòu)，并且左右短橫梁間有橫貫起落架艙上壁板的橫梁相連接，如圖15所示[9]。艙上框端不受類似外翼上壁板的壓力，艙上側(cè)壁板的外傾變形很小。在翼上側(cè)壁板變形很大和艙上側(cè)壁板變形較小之間，兩側(cè)向加強(qiáng)件的連接采用可以相對轉(zhuǎn)動的連接。

圖15 波音787飛機(jī)艙上框及連接結(jié)構(gòu)

斜撐板的作用是通過其分散外翼升力載荷和分擔(dān)外翼扭矩載荷實(shí)現(xiàn)的。通過以上四種機(jī)型斜撐板結(jié)構(gòu)的分析，A320/A350/C系列三種機(jī)型的斜撐板都只能部分起到這些作用，波音787飛機(jī)的斜撐板較充分地發(fā)揮了作用，但其斜撐板與周邊結(jié)構(gòu)的連接過于復(fù)雜。

3 斜撐板設(shè)計(jì)要點(diǎn)

斜撐板設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)：一是在其上邊、側(cè)邊和下邊的連接結(jié)構(gòu)；二是在斜撐板本體加筋布置等細(xì)節(jié)。

3.1 斜撐板的連接

圖13～圖15說明了波音787飛機(jī)翼上框端柔性連接對斜撐板上邊、側(cè)邊連接結(jié)構(gòu)的影響。因?yàn)樽冃蔚膮f(xié)調(diào)，斜撐板上邊和側(cè)邊的連接接頭須滿足有柔性可轉(zhuǎn)動的要求。

A320、A350等機(jī)型的翼上框端的連接并非柔性形式，而是和通過翼上框接頭的較剛性的連接，如圖16所示[7]。

圖16 翼上框和翼下框接頭連接

翼上框采用剛性連接，翼上側(cè)壁板和艙上側(cè)壁板沒有變形協(xié)調(diào)的問題，斜撐板的側(cè)邊連接無須是柔性的，即可以連接在十字形后梁對接接頭上，或后梁框的側(cè)邊上。

斜撐板的下邊和對接帶板可以選擇連接或不連接，連接單排釘或多排釘。

3.2 斜撐板的本體

斜撐板本體設(shè)計(jì)有組合式和整體機(jī)加式；A320飛機(jī)和A350飛機(jī)的斜撐板是組合式；波音787飛機(jī)和B機(jī)型的斜撐板是整體機(jī)加式。

斜撐板材料可以選鋁合金和鈦合金，目前先進(jìn)民機(jī)的機(jī)身蒙皮都是復(fù)合材料；斜撐板選鋁合金和復(fù)合材料蒙皮在熱膨脹和異電位上相容性較差，但鋁合金加工性好，經(jīng)濟(jì)性相對較好；選鈦合金則會和復(fù)合材料蒙皮在熱膨脹和異電位上相容性較好[12]，但鈦合金加工粘刀嚴(yán)重，殘余應(yīng)力大，工藝復(fù)雜[13]，經(jīng)濟(jì)性相對較差。

4 B機(jī)型斜撐板設(shè)計(jì)

為充分發(fā)揮斜撐板的作用并降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在B機(jī)型斜撐板的設(shè)計(jì)上做了改進(jìn)：斜撐板側(cè)邊和后梁框剛性連接、下邊和對接帶板充分連接。

4.1 斜撐板位置和連接

B機(jī)型的斜撐板結(jié)構(gòu)包括斜撐板本體和其上邊的側(cè)邊加強(qiáng)件，其位置如圖17所示。

圖17 B機(jī)型的斜撐板結(jié)構(gòu)

該機(jī)型的對接肋上緣條和中機(jī)身側(cè)蒙皮的配合面及過渡面是曲面，因此側(cè)向加強(qiáng)件上部也是曲面和蒙皮曲面配合，下部是平面和斜撐板本體連接。翼上框端采用短橫梁結(jié)構(gòu)，是一種剛性連接，翼上側(cè)壁板和艙上側(cè)壁板變形差別不大，斜撐板結(jié)構(gòu)的側(cè)邊加強(qiáng)件延伸到翼上側(cè)蒙皮；斜撐板的側(cè)邊和后梁框連接，也是剛性連接。某機(jī)型斜撐板側(cè)邊連接示意圖如圖18所示。

圖18 某機(jī)型斜撐板側(cè)邊連接示意圖

B機(jī)型斜撐板的上邊航向尺寸較大，為1 092 mm，跨越2個(gè)機(jī)身框距，即可以連接3個(gè)機(jī)身框，有利于分散斜撐板傳遞的升力載荷到機(jī)身側(cè)壁板；斜撐板釘排布如圖19所示。

圖19 斜撐板的釘排布

斜撐板的本體是整體機(jī)加式，通過軟件分析達(dá)到了結(jié)構(gòu)效率的優(yōu)化，相對組合式更加省重和有利于裝配。

4.2 斜撐板設(shè)計(jì)方案及分析

B機(jī)型有后梁框，翼上框端的連接不是柔性連接，這些影響斜撐板的因素和A320飛機(jī)相同，且B機(jī)型和A320飛機(jī)規(guī)模一致，因此設(shè)計(jì)之初，第一方案是選用類似A320飛機(jī)的壁板式斜撐板，分析結(jié)果表明翼上區(qū)的應(yīng)力有所降低(-11%)，艙上區(qū)F的剪應(yīng)力降低較明顯(-20%)，但后梁框的集中載荷降低較少(-7%)，中央翼下壁板上剪應(yīng)力幾乎無變化，結(jié)構(gòu)效率不明顯，故B機(jī)型沒有選用此方案。應(yīng)力變化區(qū)如圖20所示。

圖20 B機(jī)型應(yīng)力變化區(qū)示意圖

第二方案是將斜撐板結(jié)構(gòu)改成整體加筋板式，并類似A350飛機(jī)的連接形式：側(cè)邊連接十字后梁接頭，下邊連接下緣條側(cè)邊伸出段，如圖21所示。分析后結(jié)果表明翼上區(qū)和艙上區(qū)的應(yīng)力降低都較明顯(-18%，-20%)，后梁框的集中載荷降低較多(-55%)，中央翼下壁板H上剪應(yīng)力降低較小(-6%)，結(jié)構(gòu)效率相對較高。但進(jìn)一步分析顯示，十字后梁接頭和斜撐板連接的側(cè)邊在承載過程中，上下變形不協(xié)調(diào)，容易產(chǎn)生疲勞問題[14]。采用相同方案的A350飛機(jī)的十字接頭是疲勞性能突出的鋁鋰合金，波音787飛機(jī)的是兩件T形件組合成十字件，材料為鈦合金且設(shè)計(jì)成柔性件。而B機(jī)型經(jīng)全面考慮，后梁接頭采用的是鋁合金，且因?yàn)槌休d較大而選用7系列，因此B機(jī)型的后梁接頭不適合設(shè)計(jì)成十字形這樣易產(chǎn)生疲勞問題的形式。從而，最終B機(jī)型沒有選用第二方案的斜撐板結(jié)構(gòu)。

圖21 斜撐板第二方案

第三方案是將斜撐板在側(cè)邊和下邊的連接上做了改進(jìn)：側(cè)邊連在后梁框上，斜撐板與1號肋腹板對齊，帶動后梁框的下端側(cè)邊垂直地面，有利于斜撐板分擔(dān)升力載荷；下邊與對接帶板充分連接，連接區(qū)較長有4排釘，便于外翼扭矩在下壁板上產(chǎn)生的剪力傳遞到斜撐板。斜撐板的連接如圖17和圖19所示。經(jīng)全機(jī)模型分析后(如圖22所示)，結(jié)果表明，翼上區(qū)和艙上區(qū)的剪應(yīng)力降低都較明顯(-19%，-23%)，后梁框的集中載荷降低更多(-67%)，斜撐板傳遞了大部分升力載荷，如圖23所示。由下緣條和對接帶板傳遞到中央翼下壁板的剪力也有更多的降低(-17%)，經(jīng)過蒙皮和長桁的優(yōu)化分析，中央翼下壁板比沒有斜撐板時(shí)減重15 kg。

圖22 斜撐板及周邊應(yīng)力分析

圖23 斜撐板降低后梁框載荷示意圖

第三方案的斜撐板結(jié)構(gòu)，比第二方案的重了6.5 kg，但其對后梁框和中央翼下壁板的減重效果更明顯，比第二方案好；第三方案對降低區(qū)域應(yīng)力水平的效果更好；第三方案可避免采用十字后梁接頭而產(chǎn)生潛在的疲勞問題。最終B機(jī)型選擇了第三方案。

綜上所述，采用改進(jìn)方案的斜撐板結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)效率更高、穩(wěn)定性更好。

4.3 斜撐板細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

B機(jī)型斜撐板的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)是先通過HyperMesh拓?fù)鋬?yōu)化出加筋板的分布和形狀[15]，再通過軟件進(jìn)行分析和修正[16]，得到斜撐板最終形狀和尺寸的。B機(jī)型斜撐板結(jié)構(gòu)示意圖如圖24所示。

圖24 B機(jī)型斜撐板結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié) 論

(1) 發(fā)動機(jī)翼吊和尾吊的布局選擇、機(jī)型本身的大小會影響斜撐板是否選用。目前典型民用飛機(jī)大都是翼吊布局，也都布置有斜撐板，斜撐板結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了對接肋的傳力范圍，加強(qiáng)了起落架艙開口，從而改善了翼上、艙上、中央翼下壁板等周邊區(qū)域的應(yīng)力分布，是效用明顯的一個(gè)翼身對接傳力部件。

(2) 斜撐板結(jié)構(gòu)從初期的類似機(jī)身壁板的結(jié)構(gòu)發(fā)展到當(dāng)今最先進(jìn)機(jī)型運(yùn)用的主體為加筋板的結(jié)構(gòu)，可見斜撐板結(jié)構(gòu)的作用越來越被重視。

(3) 斜撐板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需考慮：翼身對接肋平面的布置，上緣條與機(jī)身蒙皮的配合面及過渡面的形式，這些會影響斜撐板的上邊和側(cè)邊的對接結(jié)構(gòu)；翼上框框端的連接是柔性結(jié)構(gòu)還是剛性結(jié)構(gòu)會影響斜撐板側(cè)邊的連接結(jié)構(gòu)；和對接帶板連接部分的長度會影響斜撐板結(jié)構(gòu)對下緣條上剪力的分擔(dān)；斜撐板本體優(yōu)先選用整體機(jī)加式；斜撐板側(cè)邊連接處載荷復(fù)雜、變形復(fù)雜，需考慮相關(guān)結(jié)構(gòu)的疲勞性能。