基于DFX的民用飛機翼身整流罩設計

羅貴騫

（中航沈飛民用飛機有限責任公司，沈陽 110100）

0 引言

飛機設計是一項高度復雜、涉及多個專業領域的系統工程。在飛機設計過程中，設計人員除了首先要滿足結構強度、剛度、界面協調、材料、質量等基本的性能要求，還要考慮系統設備的安裝、零件制造工藝性、裝配工藝性、維護及修理、質量保證、成本、項目進度等方面的因素。為了得到更優化的結構方案，設計人員需要將眾多要求、考慮因素、技術參數綜合分析、權衡，于是形成了面向產品生命周期各環節的設計理念，即DFX（Design For X）理念。

1 DFX設計理念概念及意義

DFX是“Design For X”的簡稱，指面向產品全生命周期的設計，這里的“X”是指產品全生命周期中的任一環節，比如制造、裝配、維修等[1]。每一個環節都是DFX的一個分支，也可以用代表產品競爭力或決定產品競爭力的因素作為DFX的一個分支。

DFX設計理念主要的分支如下[2]：1）面向制造的設計（DFM）；2）面向裝配的設計（DFA）；3）面向質量的設計（DFQ）；4）面向檢驗的設計（DFI）；5）面向維修的設計（DFS）；6）面向環境的設計（DFE）；7）面向回收的設計（DFR）；8）面向成本的設計（DFC）。

DFX本身是一種設計理念，在產品概念設計和詳細設計階段就充分考慮產品生命周期中各個環節的要求，將其他要求反映到產品設計方案中，不斷地對設計方案進行評估，盡可能地提前發現并解決問題，從而保證產品以較低的成本、較高的質量和較短的產品開發、制造周期交付至客戶手中。

綜上所述，運用DFX設計理念，能夠全方位、多維度地對翼身整流罩進行設計，保證最終方案全面地滿足各方面的設計要求。

2 翼身整流罩的結構方案

翼身整流罩是指包覆機翼與機身之間連接部位的殼體結構，起氣動外形整流和為各類系統提供相對封閉的安裝和運行空間的作用。翼身整流罩通常由框架和壁板組成，通過拉桿和邊條連接于機身下部，內部容納的系統包括環控系統、燃油系統、增壓系統、液壓系統等。翼身整流罩的設計需要與各相關系統協調進行，基于系統安裝和檢修的要求對壁板進行分塊和布置開口，包括不同用途的維修口蓋、快卸門等，框架在必要時會對一些系統提供次要的連接支持。

圖1 翼身整流罩結構

通常在概念設計階段，翼身整流罩左右各布置3根縱梁，同時每2個框距布置1個框，為方便與機身協調，翼身整流罩框站位與機身框站位相同。拉桿用于將翼身整流罩框架連接于機身上，在翼身整流罩一側優先連接于框梁交匯處，在拉桿數量不足時，再選擇在未交匯的位置布置連接點。拉桿在機身一側連接于框外緣條或縱向件上。邊條用于翼身整流罩壁板與機身的連接，使用螺栓連接并固定于機身壁板之上，邊條與翼身整流罩則使用托板螺母，保證整流罩壁板方便拆卸。

翼身整流罩雖為次承力結構，但其處于機身下部且需要與機身、外翼翼盒、中央翼盒、系統設備等眾多界面進行協調，根據DFX設計理論，翼身整流罩在滿足結構剛度、強度要求的情況下，還需要面向制造、裝配、維修、成本等環節進行設計[3]，需要控制結構腐蝕、提高制造裝配工藝性、協調多個系統設備的布置，同時保證結構及系統的維護性。

3 面向制造的設計（DFM）

3.1 框梁

通常情況下，翼身整流罩框梁內緣條除在框梁交匯處彼此連接以外，沒有其他配合要求，所以內緣條可設計成與腹板垂直的直紋面，以減少閉角情況，只在框梁交匯處局部修形以安裝連接角片。

除特殊要求以外，框梁等機加件應盡量選取統一的轉角半徑，限制不同轉角半徑的數量，以減少加工工序和刀具的更換次數[4]。

3.2 壁板

翼身整流罩位于非承壓區，壁板主要承受氣動載荷，為保證剛度同時質量最輕，翼身整流罩壁板通常采用蜂窩夾芯結構，面板采用織物形式的碳纖維或玻璃纖維。

圖2 框梁內緣條配合

在進行壁板細節設計時，應控制蜂窩高度，避免成型時壓塌，蜂窩頂部、側部邊緣做圓角防止蜂窩芯和預浸料發生褶皺[5]，蜂窩斜削角控制在25°左右。

設計壁板分塊時，除滿足系統設備布置要求，還要考慮單塊壁板的幾何尺寸或者形狀要符合復材制造能力，不能有礙進罐和吹風。如圖3所示的壁板，當尺寸過大，只能沿Y方向推入熱壓罐時，壁板沿Y方向的彎曲將阻礙進風，影響加熱效率，所以該壁板需進一步分塊。

圖3 壁板需進一步分塊

4 面向裝配的設計（DFA）

翼身整流罩從面向裝配的設計角度，應做到[6]：1）將相似的零件設計成一個零件，盡量減少同類零件數量；2）減少緊固件數量和類型；3）避免零件裝配過程中發生干涉；4）考慮與機身的裝配是否可達；5）考慮空間是否滿足常規工具的使用；6）考慮裝配過程是否需要輔助工具，為輔助工具提供額外空間；7）進行容差分析，給出合理的基準和零件公差要求。

5 面向維修的設計（DFS）

面向維修的設計是以滿足用戶需求為前提，提高產品的維修性，使得產品能以最小的維修資源（維修時間、維修人力、維修費用、維修設備等）消耗獲得最大的可用性的設計理念[7]。A380飛機就是基于面向維修的設計理念，提出了要保證不需要有別于現有飛機的特殊維修技巧的設計要求[8]。

民用飛機翼身整流罩在面向維修進行設計時，需關注如下幾點：

1）檢修門/口蓋的位置及尺寸。檢修門/口蓋的位置必須保證檢修人員能夠方便地觀察或操作系統設備，如果要求檢修人員部分身體進入整流罩檢修，則門/口蓋的尺寸必須滿足要求且不會發生剮蹭。為達到上述要求，設計階段需利用人機工程分析技術進行模擬驗證。

2）單塊壁板質量。對于整流罩壁板受石子撞擊損壞維修問題，以及系統設備維修時可能需要拆卸壁板的情況，設計人員在壁板分塊設計時還需控制單塊壁板質量。例如A220飛機翼身整流罩設計要求中，規定了單塊壁板最大質量不應超過36.287 kg（80 lb），以便于兩人進行維護。

6 面向成本的設計（DFC）

面向成本的設計是將已有設計方案不斷改進的行為，設計人員需要不斷地思考可能降低現有成本的方案。為了切實得到實現相同功能的低成本方案，設計人員使用檢查單不斷進行自查是行之有效的方法。

表1所示為利用設計經驗總結歸納的面向成本設計檢查單。

表1 面向成本設計檢查單

依據此檢查單對民用飛機翼身整流罩結構進行檢查，可以得到以下關注點：

1）框梁骨架。整流罩屬于次承力結構，框梁可以選擇簡單易加工的結構形式。除了機加以外，在載荷水平低、曲率變化小的位置的框梁可采用鈑金件或鈑金件與型材件的組合件來降低材料浪費和提高批產能力。

2）材料。包括框梁、支座在內的金屬結構可優先選用常規、易采購的材料。

3）拉桿支座。可以設計獨立的拉桿支座連接于框梁之上，避免將拉桿支座與框梁一體機加，避免維修困難。

4）充分利用IPDT團隊（聯合設計團隊）進行翼身整流罩設計，及時接收各專業需求，避免無效的設計方案導致返工。

5）多利用模擬仿真技術進行分析，例如分析進氣管、排氣管的擋板等運動機構，提前發現干涉或行程問題，避免在實物產品試驗時發生簡單錯誤。

6）避免使用專用維修工具[9]。

7 面向系統安裝的結構布置設計

翼身整流罩的作用之一就是包裹系統設備，為其提供安裝和運行空間，系統設備布置方案對結構布置方案有重要影響，所以翼身整流罩在進行結構布置設計時必須面向系統安裝的需求，否則會導致設計反復，比如框梁間距過小，無法在其間安裝設備或開口；框梁高度過高，導致與設備管路干涉等問題。

基于上述因素，翼身整流罩框梁布置時應盡早引入系統布置輸入，保證框梁位置整體合理，避免分段移動后，框梁不連續的區域過多，降低載荷傳遞效率。

結構專業人員需要盡早從系統專業人員獲取以下信息：1）翼身整流罩內將要布置哪些設備；2）系統設備布置位置（可預計）；3）哪些設備需要整流罩開口；4）設備檢修頻率；5）設備的尺寸（可估值）或包絡體；6）設備對應的活動門（如RAT門、排氣管擋板）的驅動器是否安裝于翼身整流罩骨架上。

8 DFX各分支的設計權衡

雖然翼身整流罩可以做到面向DFX的多個分支進行設計，但各分支的設計要求和得到的方案并不是孤立存在的，它們可能是相互促進的，也可能是相互制約的關系，舉例如下：

1）DFA與DFM的關聯。通過容差分析給出合理的公差值，可能降低零件的加工難度。

2）DFA與DFM的制約。零件合并減少了零件數量，提高了裝配效率，但可能也同時增加了零件制造難度。

3）DFS與DFA的制約。出于維修考慮，翼身整流罩按質量分成更多小塊的壁板，但增加了零件數量，降低了裝配效率。出于維修可達考慮，翼身整流罩加大了門/口蓋的開口尺寸，但可能削弱結構的強度、剛度。

4）DFC與其他分支的制約。出于成本考慮，更換的零件材料可能在相同結構尺寸情況下，性能有一定降低，而為保持同等性能可能導致尺寸增大，質量上升。出于成本考慮減少了緊固件種類和規格，但可能導致部分結構加寬以適應更大的直徑，導致質量上升。

以上舉例充分說明了飛機設計是一個權衡的結果，要得到滿足各方面要求的設計方案，必須形成IPDT團隊，利用權衡分析，提出多個備選方案，進行詳細、量化的對比，在整體上做到平衡[10]。

9 結論

本研究采用DFX設計理論，論述了CR929飛機翼身整流罩從DFX的多個分支下的細節設計舉措，得到如下結論：1）在面向制造的設計時，要關注框梁外緣條、轉角半徑、壁板分塊尺寸等參數，邊條采用3D打印成型技術；2）在面向裝配的設計時，要減少同類零件數量和進行容差分析等舉措；3）在面向維修的設計時，要關注檢修門/口蓋位置和尺寸、單塊壁板質量及托板螺母數量；4）在面向成本的設計時，要利用檢查單不斷進行自查；5）在面向系統安裝的設計時，結構布置階段應盡早引入系統布置輸入，保證框梁位置整體合理，避免降低載荷傳遞效率；6）設計環節可以針對DFX的多個分支進行設計，但各分支處于相互依存、相互制約的狀態，設計要做到整體的權衡。