機身框與長桁、蒙皮的連接形式研究

王 強，付杰斌，張 偉

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

飛機機身結(jié)構(gòu)中最大的結(jié)構(gòu)單元是壁板，也是受力最嚴重的結(jié)構(gòu)件，承受著機身彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)載荷以及座艙壓力等所有主要的載荷作用。機身的大部分載荷都要通過壁板來傳遞。本文從三種壁板的連接形式進行分析探討和研究，得出各類壁板的優(yōu)缺點。

1 機身框與長桁、蒙皮的連接形式分析

為便于區(qū)分各類壁板，將下述壁板命名為A類壁板、B類壁板、C類壁板。

1.1 A類壁板結(jié)構(gòu)形式

A類壁板機身框、長桁與蒙皮的連接見圖1，是由蒙皮，長桁，止裂帶，剪切帶板，桁條角片，框鉚接組成。蒙皮與止裂帶采用熱膠接，膠接后與長桁和剪切角片進行氣密鉚接。

1.2 A類壁板結(jié)構(gòu)耐久性和工藝分析

A類壁板采用的是浮框的連接形式，即框不直接與蒙皮連接，而是通過剪切帶板與蒙皮連接，機身的增壓載荷通過剪切帶板傳給框。框不直接與長桁連接，而是通過桁條角片與框連接，這樣避免了框緣直接與長桁彎邊相連，可以防止在座艙增壓時，被連接的長桁彎邊因偏心而產(chǎn)生裂紋，還避免了鉚釘受拉，改善了該處的抗疲勞特性。

圖1 A類壁板結(jié)構(gòu)

A類壁板采用浮框的連接形式使裝配時協(xié)調(diào)更方便，蒙皮的表面質(zhì)量更好，因為機身的外形只決定于蒙皮的質(zhì)量，不用受框的外形影響。

根據(jù)《實用飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊 第二分冊 結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計》，DFR值即為結(jié)構(gòu)細節(jié)疲勞額定值，它是評定結(jié)構(gòu)細節(jié)疲勞質(zhì)量的定量指標，DFR值的高低即可表示結(jié)構(gòu)細節(jié)疲勞的好壞。A類壁板的結(jié)構(gòu)連接形式易產(chǎn)生疲勞裂紋的位置有蒙皮與剪切帶板連接處，有框與剪切帶板的連接處，還有長桁與框的連接處，見圖 2～圖 4。

圖2 A類壁板結(jié)構(gòu)蒙皮上DFR的位置

圖3 A類壁板結(jié)構(gòu)框上DFR的位置

圖4 A類壁板結(jié)構(gòu)長桁角片上DFR值的位置

A類壁板結(jié)構(gòu)的長桁截面為Ω型，兩相鄰剪切帶板之間的距離較大，從長桁鉚釘?shù)郊羟袔О宓亩祟^鉚釘間距偏大，在高剪切或壓縮載荷下，此處的蒙皮無支持，易發(fā)生屈曲失穩(wěn)（見圖5）。

圖5 A類壁板結(jié)構(gòu)易發(fā)生屈曲的蒙皮

A類壁板結(jié)構(gòu)框和長桁是采用槽型桁條角材連接，這樣長桁上的力傳到框上易使桁條角材產(chǎn)生偏心，根據(jù)釘載分配原則，使桁條角材上離框遠的鉚釘承受載荷更大。如果將框和長桁連接的槽型桁條角材改成H型桁條角材，就可以降低此處鉚釘?shù)某休d，而且能大大改善桁條角材的偏心，提高型材的疲勞壽命，桁條與H型桁條角材的連接見圖6。

圖6長桁與框連接的H型長桁角材

A類壁板的浮框連接形式，框上沒有長桁開口，即沒有應(yīng)力集中源，疲勞強度非常好，而且降低了框的裝配定位精度要求，可以更好的保證機身蒙皮的表面質(zhì)量，框又可隨壁板一塊分段裝配，壁板在機身的裝配定位通過定位孔實現(xiàn)，這樣能大大提高機身裝配時并行作業(yè)的效率，縮短生產(chǎn)周期。但壁板浮框的結(jié)構(gòu)形式使壁板裝配的零件數(shù)量增加，而且A類壁板長桁與框的連接，長桁采用的是Ω型型材和槽型角材的配合，這增加了裝配配合要求，由于零件公差，工藝上很難保證所有的長桁與長桁角材完全配合且沒有間隙，如果有間隙就會使鉚釘承受附加力，產(chǎn)生裝配應(yīng)力，影響機身壁板的使用壽命，且蒙皮與止裂帶的熱膠接使壁板的加工成本增加。

2 B類壁板連接結(jié)構(gòu)分析

2.1 B類壁板結(jié)構(gòu)形式

B類壁板機身框、長桁與蒙皮的連接見圖7，是由蒙皮，長桁，止裂帶，破損安全角材，桁條角片，框鉚接組成。蒙皮與止裂帶采用熱膠接，膠接后與長桁和框緣進行氣密鉚接。

圖7 B類壁板結(jié)構(gòu)

2.2 B類壁板結(jié)構(gòu)耐久性和工藝分析

B類壁板采用的是框緣與蒙皮直接連接，機身的增壓載荷直接傳給框。框上開缺口讓長桁通過，為了降低框缺口處的應(yīng)力，在框的缺口處鉚接一根破損安全角材。框不直接與長桁連接，而是通過桁條角片與框連接，這樣避免了框緣直接與長桁彎邊相連，可以防止在座艙增壓時，被連接的長桁彎邊因偏心而產(chǎn)生裂紋，還避免了鉚釘受拉，改善了該處的抗疲勞特性。B類壁板的這種整體剪切帶板的連接形式比A類壁板分離的剪切帶板連接形式零件數(shù)量減少了。框直接與蒙皮連接，還減少了剪切帶板的重量，B類壁板結(jié)構(gòu)形式重量比A類壁板結(jié)構(gòu)形式的重量要輕。但這種結(jié)構(gòu)框上要開長桁缺口，在框缺口處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響框的疲勞壽命。

B類壁板的結(jié)構(gòu)連接形式易產(chǎn)生疲勞裂紋的位置分別有蒙皮與框緣連接處，有框的開口處，還有長桁與框的連接處，見圖8～圖10。

B類壁板結(jié)構(gòu)，框和長桁是采用槽型桁條角材連接，這樣長桁上的力傳到框上易使桁條角材產(chǎn)生偏心，根據(jù)釘載分配原則，使桁條角材上離框最近的鉚釘承受載荷更大。如果將框和長桁連接的槽型桁條角材改成H型桁條角材，就可以降低此處鉚釘?shù)某休d，而且能大大改善桁條角材的偏心，H型桁條角材的連接與A類壁板相同。

圖8 B類壁板結(jié)構(gòu)框上DFR的位置

圖9 B類壁板結(jié)構(gòu)蒙皮上DFR的位置

圖10 B類壁板結(jié)構(gòu)桁條角材上DFR的位置

B類壁板的框開缺口的連接形式，與軍機普通框的設(shè)計相同，框上開長桁缺口，框緣直接與蒙皮連接，使壁板裝配的零件數(shù)量比A類壁板減少了，框也可隨壁板一塊分段裝配，壁板在機身的裝配定位通過定位孔實現(xiàn)，有利于機身裝配時并行作業(yè)，提高裝配效率，縮短生產(chǎn)周期。但B類壁板長桁與框的連接，長桁采用的是Ω型型材和槽型角材的配合，這增加了裝配配合要求，由于零件公差，工藝上很難保證所有的長桁與長桁角材完全配合沒有間隙，如果有間隙就會使鉚釘承受附加力，產(chǎn)生裝配應(yīng)力，影響機身壁板連接處的使用壽命。且蒙皮與止裂帶的熱膠接使壁板的加工成本增加，Ω型的長桁使框上的缺口尺寸較大，降低了框的疲勞壽命。

3 C類壁板連接結(jié)構(gòu)分析

3.1 C類壁板結(jié)構(gòu)形式

C類壁板機身框、長桁與蒙皮的連接見圖11，是由蒙皮，長桁，剪切帶板，框鉚接組成。蒙皮采用變厚度化銑。

圖11 C類壁板結(jié)構(gòu)

3.2 C類壁板結(jié)構(gòu)耐久性和工藝分析

C類壁板采用的是浮框的連接形式，即框不直接與蒙皮連接，而是通過剪切帶板與蒙皮連接，機身的增壓載荷通過剪切帶板傳給框。框不直接與長桁連接，也是通過剪切帶板與框連接，這樣避免了框緣直接與長桁彎邊相連，可以防止在座艙增壓時，被連接的長桁彎邊因偏心而產(chǎn)生裂紋，還避免了鉚釘受拉，改善了該處的抗疲勞特性。

C類壁板與A類壁板都采用浮框的連接形式，這使裝配時協(xié)調(diào)更方便，蒙皮的表面質(zhì)量更好，是現(xiàn)在民機壁板最常用的一種結(jié)構(gòu)形式。C類壁板將剪切帶板和長桁角材合二為一，既簡化了壁板的連接結(jié)構(gòu)，又滿足了壁板的連接要求，是一種比較好的壁板連接形式。

C類壁板的結(jié)構(gòu)連接形式易產(chǎn)生疲勞裂紋的位置分別有蒙皮與剪切帶板連接處及框與剪切帶板的連接處，還有長桁與剪切帶板的連接處（見圖12～圖14）。

圖12 C類壁板結(jié)構(gòu)蒙皮上DFR的位置

圖13 C類壁板結(jié)構(gòu)框上DFR的位置

圖14 C類壁板結(jié)構(gòu)長桁上DFR的位置

根據(jù)《飛機設(shè)計手冊第10冊-機身結(jié)構(gòu)設(shè)計》，C類壁板的這種將長桁與框，框與蒙皮的連接合二為一的結(jié)構(gòu)，即剪切帶板將長桁、蒙皮、框連成一個整體的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過大量的試驗驗證，不但能滿足飛機的連接壽命要求，而且減少了零件的數(shù)量，易于裝配和協(xié)調(diào)。

4 綜合分析

通過A類壁板、B類壁板和C類壁板結(jié)構(gòu)形式定性分析比較壁板重量。

C類壁板的長桁為Z字型，A類壁板和B類壁板的長桁為Ω型，長桁主要受正應(yīng)力，按長桁能承受正應(yīng)力比較，Ω型長桁比Z字型長桁的形心位置高，Ω型長桁比Z字型長桁的效率更高，單從長桁切面形狀比較，單位面積的承載能力，Ω型長桁比Z字型長桁好，重量要輕，但在前面的工藝性分析中，我們發(fā)現(xiàn)，Ω型長桁的裝配時容易產(chǎn)生裝配應(yīng)力，會影響壁板的疲勞壽命。

A類壁板，C類壁板采用的是浮框式結(jié)構(gòu)，蒙皮與框是通過剪切帶板連接，B類壁板是框開長桁缺口，減少了剪切帶板的連接，在重量上會比框不開長桁缺口的A類壁板、C類壁板的浮框結(jié)構(gòu)輕，但框上的缺口位置易產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響框的疲勞壽命。

5 結(jié)論

A類壁板、C類壁板采用的是浮框式結(jié)構(gòu)，通過比較，C類壁板從受力、零件工藝裝配、零件數(shù)量上要優(yōu)于A類壁板結(jié)構(gòu)，B類壁板因為在框上開缺口，減少了剪切帶板的連接，在重量上會比框不開長桁缺口的浮框結(jié)構(gòu)輕，但若框上的應(yīng)力水平較高，在框上的缺口位置易產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響飛機的壽命。因此，可以根據(jù)各段框的應(yīng)力水平來選擇不同的壁板連接方式。在框的應(yīng)力水平較低處，可以采取框開長桁缺口的方式。A類壁板適合于框與長桁應(yīng)力水平均較高部位；B類壁板適合于框應(yīng)力水平較低而長桁應(yīng)力水平較高部位；C類壁板適合于框應(yīng)力水平較高而長桁應(yīng)力水平較低部位。