探究民用飛機典型金屬機身壁板設計方法

李明升

摘 要 民用飛機機身金屬壁板由蒙皮和長桁組成，本文針對壁板初步設計，從受力形式分析、材料選擇、長桁截面選擇、蒙皮分塊以及最小厚度確定等因素進行了進一步探究，可為之后的民用飛機壁板設計提供重要的參考依據。

關鍵詞 民用飛機;金屬機身壁板;設計方法

民用飛機機身為半硬殼式構造，金屬壁板是機身結構中最大的裝配單元，由蒙皮和長桁組成，是飛機結構設計的重要承載組件，承受著機身的彎曲、扭轉載荷、剪切以及座艙壓力等所有主要的載荷。壁板受力形式十分復雜，位置不同，相應的設計情況不同，所以要結合具體的部位充分考慮。本文針對民用飛機典型金屬機身壁板設計給出了詳細分析。

1機身壁板受力分析

蒙皮、長桁構成了機身壁板，是平衡機身結構荷載的關鍵性構件。其中，針對機身受載的分析為：飛機當中的各個部件以及裝載物產生的載荷，在框上產生直接的作用，框以減流的形式，向蒙皮傳遞荷載[1]。剪力到達蒙皮之后，機身便如同薄壁，會對各個方向的橫向力進行承載，進而出現彎曲和扭轉的情況。彎矩會有軸向力產生，具體來說便是長桁以及蒙皮當中存在的正應力;扭轉以及剪力，導致蒙皮有剪應力產生，因此，蒙皮和長桁具體的受力為：蒙皮可以對機身的外形進行維持，與長桁共同對彎矩MZ和MY承受，構成軸向力;對剪力FY， FZ、扭矩Ma產生的剪應力承受;對增壓艙當中存在的氣密載荷承受。長桁：與蒙皮共同對彎矩Mz和MY引起的軸向力進行承受;此外，長桁會針對蒙皮產生支持作用，使蒙皮具備更高的受壓和受剪失穩臨界應力[2]。因為機身存在的彎矩，其方向通常都是向下的，所以機身受彎過程中，一般都是上部受拉，而下部受壓。一旦壁板當中的應力由拉應力進行轉變，成為壓應力時，蒙皮有可能會失去穩定。所以，長桁的分布通常都會從上至下，并且間距逐步減小，上部非常疏松，而下部較密。上壁板一般會對拉伸載荷進行承受，依照疲勞損傷容限開展設計，對拉伸強度理想、具備高質量的斷裂韌性以及裂紋擴展速率材料進行選擇，并且要保證控制臂板的設計水平，這是設計當中非常關鍵的內容;下壁板會對受壓縮載荷進行承受，可依照穩定性開展設計。

2材料挑選

在對蒙皮材料進行選擇的過程中，除了考慮材料黨的疲勞性能、抗疲勞裂紋擴展性能以及斷裂韌性等因素外，最關鍵的考慮因素便是重量。機身蒙皮可以選擇應用全新的材料鋁鋰合金，該新型材料與常規的2000和7000系列的鋁合金相比，具有重量輕、強度高和抗裂紋擴展速率低等優點，但考慮到新材料制造工藝的風險性，在材料選擇通常的做法是采用新材料和常規鋁合金結合的形式，單曲度的蒙皮和長桁通常選擇鋁鋰合金。雙曲蒙皮和長桁機加接頭通常選用常規鋁合金，例如7075，該材料有著非常理想的綜合性能[3]。

3蒙皮分塊

蒙皮分塊兒的具體數量以及尺寸，需要根據總體布局提出的要求合理開展，并結合機身的設計和工藝分離面的相應劃分、開口位置、破損安全情況等等。此外，還需要對同類機種的具體使用情況加以參照，對蒙皮的分塊綜合考量之后合理開展。為了能夠對最大程度的材料連續性進行獲取，使結構重量有所減輕，強化結構效率，需要使蒙皮分塊盡可能減少。

4蒙皮最小厚度

對于民用飛機來說，重量是衡量飛機設計的重要指標。金屬壁板在機身結構設計中重量占比較大，因此機身蒙皮最小厚度設計尤為重要，機身蒙皮是氣密艙受力件，壓差載荷，剪切力和扭矩產生的剪流及彎矩決定蒙皮的厚度。考慮疲勞強度，需要控制機身蒙皮的應力水平，依據典型的受力分析，氣密艙增壓載荷下，，可對蒙皮最小厚度t進行估算，具體的公式為：為壓差載荷，R為機身蒙皮當量半徑。

t =

5挑選長桁截面

民用飛機機身結構當中，對于長桁截面的應用，非常典型的便是z形、帽型以及J型。

針對不同的長桁截面形式進行比較：其一，z形長桁，有著較高的結構效率，可檢查性和維修性比較理想，并且組裝方便，非常適合在民用結構當中使用;其二：J型長桁，需要借助雙排緊固件，將其連接蒙皮，有著良好的破損安全性，可在機身縱向蒙皮的連接處進行使用;其三，鈑彎帽型長桁1的結構效率等同于z型長桁，所以在民用結構當中的使用也非常多;其四，鈑彎帽型長桁2展現出來的結構效率非常高，但由于封閉區域，針對腐蝕檢測的開展十分困難，所以不建議在民用飛機當中對這一形式進行使用。

不同的長桁，有著不同的優勢和劣勢，可以對成熟機種的設計經驗進行借鑒，利用長桁截面局部失穩應力FCC的精準計算、受壓壁板的許用壓應力FC進行計算、重量計算，可對長航截面進行選擇[4]。

6等直段長桁分布

在相同的橫剖面當中，長桁有著不均勻的分布，其疏密會結合橫剖面當中的具體應力狀況進行。將橫剖面當中存在的幾個明顯長桁為界，可以使機身橫剖面進行劃分，構建幾個區域，剩余位置當中的長桁，需要根據上疏下密的原則均勻開展，并對合適的長航分布進行選擇，之后實施計算。對最大應力值以及蒙皮最大剪應力進行比較分析，可對長桁最終分布進行明確。

7結束語

總之，在對民用飛機典型機機身壁板，進行分析的過程中，需要對地板的受力形式進行探究，本文從材料選擇、蒙皮分塊、蒙皮最小厚度、長桁截面設計以及長桁布置的方面，進行了比較詳盡的分析和總結，依照相應的原則，可強化民用飛機壁板的設計。

參考文獻

[1] 黃雨霓，錢敏.民用飛機典型金屬機身壁板設計方法[J].科學技術創新，2018（22）：186-187.

[2] 盧秉賀，李萍，趙繼偉.民用飛機后機身壁板控制失效模式和控制載荷工況分析[J].沈陽航空航天大學學報，2012，29（3）：60-63.

[3] 韓峰.大型客機典型壁板傳聲損失特性的數值分析研究[J].民用飛機設計與研究，2011（1）：49-51，74.

[4] 方陽，尹偉明，孟慶功，等.民用飛機壁板蒙皮及長桁布置結構優化設計[J].民用飛機設計與研究，2017（2）：67-73.