民用飛機機身壁板結構優化設計

張茜

摘? 要：壁板是民用飛機機身的主要承力結構，作用在飛機機身的載荷幾乎都要通過壁板傳遞。本文從傳力分析、結構布置、材料選擇、強度分析、減重優化幾個方面進行了分析及研究，介紹了飛機機身壁板結構的優化設計方案，具有一定的工程設計實用效益。

關鍵詞：民用飛機、壁板、結構優化

1.結構簡述

飛機壁板構成了機身的外殼，是機身最重要組合件之一。壁板常用的結構形式有五種：由面板和夾芯構成的夾層結構;用化銑加工控制壁板各部位厚度的化銑壁板;蒙皮厚度在2.5mm 以上，兩加強框之間不需任何骨架的厚蒙皮壁板;由1.2mm～2.0mm厚的蒙皮和長桁、普通框構成的薄壁結構;以及復合材料壁板結構。民用飛機機身大都是半硬殼式結構，廣泛應用薄壁結構壁板。

大部分民用飛機的壁板都是由蒙皮、長桁、隔框等組成的典型加筋板結構，如圖1所示。作用于機身的所有載荷幾乎都要通過壁板來傳遞，因此壁板的受力形式復雜，不同的部位要考慮不同的設計情況。壁板的設計情況要根據所在的機身部位進行選擇。

2.傳力分析

飛機壁板外載荷主要包括氣動載荷、慣性載荷及增壓載荷。機身整體受到彎、剪、扭的作用。飛機壁板結構設計應針對機身承載特點，圍繞壁板所受集中力、壓力、彎矩、剪力、扭矩等典型載荷設計合理傳力路線。飛機框平面內集中載荷由框承受，通過框腹板和緣條傳遞給機身;飛機航向集中載荷由縱向構件承受、傳遞，與機身慣性載荷平衡;機身整體彎矩由壁板、長桁以拉、壓形式承受;機身整體剪力和扭矩由蒙皮承受、傳遞。以上這些結構的承載最終都通過典型加筋板結構的拉伸、壓縮、剪切來平衡、傳遞及擴散。

3.結構布置

承受軸向壓力的壁板，為提高結構的穩定性，應增加壁板的厚度或增加縱向加強件，增加橫向構件是無效的。承受剪力的壁板，調整縱向或橫向構件的間距和蒙皮的厚度均能有效提高壁板的抗剪穩定性。承受徑向壓力的壁板，為提高結構的穩定性，應增加壁板厚度或加密橫向構件，增加縱向構件所得到的效果較小。承受分布壓力的平板，有硬板、軟板、薄膜三種類型，在分布壓力作用下，不同類型的平板有不同的應力狀態。半硬殼壁板是一種典型的機身結構形式，其受力特點是承壓時，長桁和有效部分的蒙皮承力;承拉時，長桁和全部蒙皮承力。

長桁是機身的重要縱向受力骨架，是壁板中的重要構件，可承受機身縱向彎曲所產生的縱向力、作為蒙皮的縱向支持、承受并傳遞某些集中載荷。長桁的主要結構形式有鈑金成形、擠壓型材、鍛件機加成形、整體機加成形。為充分發揮長桁的承載效率，長桁應布置在機身的頂部和底部。長桁應當連續，盡量避免彎折。但由于機身下部有起落架艙和發動機艙等，使長桁軸線不能保持直線，設計時應盡可能減緩長桁的彎折程度。長桁的彎折處必須有橫向構件支持，橫向構件應當能承受長桁軸向力在轉折點的橫向分力。

4.材料選擇

飛機結構材料選用主要是根據結構各部位受力特點而選定，主要包括靜強度、疲勞損傷容限、耐腐蝕性能，同時需考慮可加工性、可獲得性和成本等因素。飛機結構選材一般根據當代現有材料進行合理選用。普通民用飛機壁板中蒙皮主要承受剪切載荷和增壓載荷，由于增壓所引起的拉伸載荷成為蒙皮疲勞的主要失效形式，所以蒙皮選材主要從疲勞角度考慮;長桁主要承受拉伸和壓縮載荷，材料的拉壓強度為主要考慮因素。因此，普通民用飛機壁板蒙皮材料主要選用疲勞、斷裂韌性好的2000系列鋁合金，同時表面包鋁以提高其耐腐性性能。長桁材料選用主要考慮其拉伸及壓縮屈服強度，同時兼顧疲勞及斷裂韌性，7000系列鋁合金擠壓型材具有較高的強度及斷裂韌性，為長桁的首選材料。

5.強度分析

機身壁板強度計算的原則是直到極限載荷，壁板加強筋不應出現壓縮失穩，包括局部失穩和總體失穩，以及材料拉伸不發生破壞失效。機身壁板中的蒙皮與長桁為板桿結構，在有限元模型中只承受剪切和拉壓載荷，沒有彎曲載荷。民機常用的鉚接壁板承受壓縮載荷時，可能發生總體壓桿失穩，以及各種形式的局部失穩，包括釘間失穩、平板屈曲和側向失穩等。

機身鉚接加筋壁板在壓縮載荷作用下，可能發生的局部失穩形式包括蒙皮釘間失穩、長桁外緣條釘間失穩、腹板屈曲、內緣條屈曲、內緣條側向失穩。此外，長桁和蒙皮的壓縮屈服也要考慮。

6.減重優化

根據蒙皮剪切不失穩的原則對蒙皮厚度尺寸進行優化。將蒙皮兩長桁、兩隔框之間的區域做為一個單元格，兩隔框距離做為單元格長度、兩長桁之間距離做為單元格寬度，選擇承受最大剪切載荷的單元格，根據極限載荷剪切不失穩的原則計算出該單元格的蒙皮厚度，參考民機機身材料選用規范向上選擇最接近的厚度尺寸做為蒙皮基礎厚度。再根據蒙皮極限載荷剪切不失穩的要求調整其它單元格的化銑蒙皮厚度。在調參時可以發現相同單元格化銑厚度，蒙皮基礎厚度越厚，蒙皮剪切許用載荷越大，但是許用應力越小，結構效率越低;相同的蒙皮基礎厚度，單元格化銑厚度越大，許用載荷越大，許用應力越小，結構效率越低。所以，為了提高壁板的結構效率，要盡可能減小蒙皮的化銑厚度。

根據壁板壓縮穩定性強度計算方法得到加筋板受壓臨界載荷，預估加筋板面積，再根據確定的蒙皮厚度尺寸計算蒙皮有效面積，對每個區域的長桁進行最大壓縮載荷篩選，進一步預估長桁面積。再對比長桁牌號初步選擇幾個長桁截面。再根據長桁壓桿穩定性安全裕度為20%左右進行效率最大原則選長桁，同時需考慮長桁厚度盡量與蒙皮厚度差控制在0.2mm之內。如果載荷相對較小，可選擇一個滿足面積要求，結構效率稍低、結構重量較低的長桁截面尺寸。

蒙皮和長桁尺寸參數調整確定后，要復算壁板拉伸強度、壁板壓縮穩定性、壁板壓剪聯合穩定性、張力場穩定性是否滿足強度要求。

7.結論

本文從傳力分析、結構布置、材料選擇、強度分析、減重優化幾個方面介紹了民用飛機機身壁板結構的優化設計思路，可做為普通民機機身壁板結構優化設計的依據和參考。

參考文獻：

[1] 《飛機設計手冊》總編委會.飛機設計手冊[M].北京： 航空工業出版社，2000.

[2] 牛春勻（美）著. 程小全譯. 實用飛機結構工程設計[M].北京： 航空工業出版社，2008.