飛機結構設計間隙簡析

宋金 陳佳郁 張家堂 李波 蔡曉冬

摘要：一般情況下，飛機結構設計時總會存在一些問題，使其設計結束不盡人意。本文描述和分析了飛機結構設計中常見的一些間隙問題，并提出了解決結構設計間隙中這些問題的建議和思路。

關鍵詞：飛機;結構設計;間隙

我們在設計的時候有很多間隙處理，有的是我們要利用的間隙，有的是我們要想辦法控制的間隙，還有一些是我們在設計時就應避免的間隙。示例是結構設計中的常見間隙問題的分析。這就能讓間隙處理為結構設計提供方法或想法。

一、飛機結構設計的主要特點

早期設計的飛機只考慮靜態強度。也就是說，如果計算和試驗證實飛機能夠承受運行中嚴重的可能載荷，則認為飛機的結構足夠堅固。隨著航空技術的發展，以及新結構、新材料、新技術、的大量采用，飛機的性能、安全性和舒適性得到了極大的提高，飛機的結構要求使用壽命長、可靠性高、維護成本低。設計師的概念根據現代飛機結構設計方法逐步更新和設計。

1.計算機結構設計。利用計算機實現無紙化設計和管理及數據傳輸，設計正確，與工藝、制造并行，改變傳統模線、圖模合一，縮短研發周期。同時，及早發現問題，及時解決，設計更改少。用計算機進行預處理、預裝配，選擇合適的技術方法，不需要制作全尺寸樣機，用計算機將人裝在結構內部，檢查其維修區域的接近性和可操作性。也就是說，通過計算機輔助結構設計，可以將由設計錯誤和方案修改引起的工程變化抑制到最小。

2.選擇新結構。1）復合材料結構?？梢愿鶕壳俺Ｒ娪谥饕兄亟Y構的使用要求和工作負荷，對材料進行設計和裁剪，與普通金屬結構相比，該結構具有強度、更高的強度、耐腐蝕性、疲勞性，但很難檢測和修復損壞。主要成型方法有熱鍋成型、卷繞成型、編織成型、RTM法等。其中RTM，即樹脂輸送模塊，是在一定溫度和壓力下將低粘度樹脂類注入置有預成型坯的模具中，然后加熱固化。具有工藝簡單、產品表面質量和尺寸精度高、成型周期短等特點，是目前開發的復合材料成型方法。（2）整體結構。具有連接少、力傳遞直接、耐力好等特點。整個組件具有機身、機翼、尾翼等整體壁、梁、接頭等。加工方法主要有數控、數控銑削等，選擇材料一般為鋁合金預拉伸板材、鈦合金等。（3）夾層結構。主要有鋁合金蜂窩芯、Nomex、面板為鋁合金、復合材料或鋁合金復合層板。優點是：在相同重量條件下，剛度大，抗聲疲勞，吸振降噪也具有整體結構的特點。但是，夾層結構的粘結質量直接影響結構的完整性，目前主要應用于地板、箱體、進氣道、方向舵、副翼、副翼和腹鰭等需要剛度的結構。（4）智能設計。將傳感器、驅動元件、控制系統整合到基板中的結構中，不僅具有負載承載能力，還具有識別、分析、判斷、動作等功能，結構本身還具有自診斷、自適應、自修復等能力。

3.選用新材料。新材料選取按耐久性、損傷容限要求，并兼顧經濟性。（1）復合材料。分為樹脂基熱固性、熱塑性、金屬基和陶瓷基等，增強材料有碳纖維、硼纖維、芳綸、玻璃、混雜纖維等，還可利用復合材料制作隱身吸波結構和智能結構。（2）鋁鋰合金。具有比重小、彈性模量高、疲勞裂紋擴展速率低等特點，制造方法無特殊要求，飛機結構上用量正在擴大。4.新工藝、新設備。新工藝、新設備的發展是現代飛機結構設計的有力保證。諸如鈦合金超塑成形/擴散連接、等溫鍛造、熱等靜壓、超塑成形、大尺寸變厚度數控加工、鋁合金多層次立體化銑、大型整體壁板噴丸成形、超長蒙皮的滾彎成形、整體油箱密封、強化工藝、激光加工、粉末注射和自動鉚接裝配等。

二、設計考慮的間隙類型

1.由于傳力要求而產生的間隙。為了限制傳力特定方向，會在連接部建立間隙。如在接頭對接時，雙耳之間會產生間隙，以防止側向力的連接受到負載;1.5mm-2mm的間隙通常應用于具有復雜對接連接的截面的一側。但是，在這種情況下，接頭和螺栓之間的摩擦會影響傳力的限制。在這種情況下，考慮此條件以提高抗拉強度。此外，還必須控制螺栓，降低根部的應力，并提高連接的疲勞性能。

2.補償設計中出現的間隙。為了滿足連接一致性和裝配順序的要求，降低裝配應力，根據制造和裝配公差的總值在接合處留出適當間隙，并為連接添加密封。但是此種連接會因連接處剛度過大及增加了連接層，使緊固件載荷分布不均及對傳載有一定影響，進而影響結構疲勞性能，在關鍵部位一般不應采用加墊的方式進行補償;另一類補償是因考慮裝配誤差，給出補償間隙。壁板對接處設計間隙一般為2mm，零件端面之間及端面與圓角邊緣設計間隙一般為1mm。

3.結構中由于連接形式而形成間隙。機身通常是一個結構簡單的縱向搭接，直接傳力，便于密封。但是，此連接在框緣上有間隙。若要減少距離對緊固件緊固的影響，必須向間隙中添加楔形墊片。在旋轉和可移動機構中，不可避免間隙。此外，某些間隙會影響結構。在這種情況下，請盡可能小間隙。如水舵轉軸與支座之間的間隙，即要求轉動靈活又不能間隙過大。對于特定類型的水舵轉軸，允許的最大間隙為0.25mm，這幾乎足夠了。

4.緊固件連接間隙。使用受剪螺栓固定緊固件時，應避免間隙或采用小間隙，如果無法避免間隙，則緊固件的間隙要求必須相同。減小螺栓與連接器結構之間的距離可減少連接處的結構變形并提高疲勞強度。

三、應避免的間隙

1.螺栓受剪結構之間存在間隙。使用螺栓進行連接時，螺栓預緊力會使結構沿螺栓軸向受拉，給連接處帶來較大的附加應力，甚至是結構破壞，螺栓連接處存在間隙，預緊力將結構拉裂。

2.密封要求時的裝配間隙。由于變形載荷、低密封劑粘接、無壓結構等原因，未密封;如果需要密封，請使用不會產生這種間隙的結構。

本文綜述了飛機結構設計中常見的問題，并結合實例進行了簡要分析，為飛機結構設計中安間隙的處理提供了方法和思路。鑒于現代飛機對結構設計的需求日益增加，對結構間隙問題進行深入分析研究，是提高飛機質量水平的重要因素。

參考文獻：

[1]崔蕓峰.結構動力學在飛機設計中的應用技術研究[J].電子世界，2020（14）：74-75.