飛機普通框及其對接形式的分析

胡 斌 石鵬飛 劉世群

（中航工業股份有限公司 漢中飛機分公司設計研究院，陜西 漢中723000）

0 引言

現代運輸機機身均為由橫向隔框、縱向長桁或梁和蒙皮組合而成的半硬殼式結構。而橫向隔框的結構形式，縱向構件的剖面形狀，不同區域蒙皮的狀態，以及蒙皮與隔框、縱向構件的連接形式，采用何種結構形式的連接剪力片、止裂板的配置及其諸構件布置是否合理，對于結構能否減緩裂紋的產生和擴展，能否充分發揮每個結構件的材料潛能，都會產生較大的影響，因此機身結構形式的確定及其構件之間連接方式的選擇是結構設計中很重要的環節。

通常機身結構都是采用簡單、可靠性強、風險小而且經過了實踐考驗的傳統結構形式和連接方式，采用損傷容限、耐久性設計準則，同時在細節設計上采取各種抗疲勞裂紋的設計措施， 以提高結構抗開裂、腐蝕及意外損傷的能力，從而提高結構的耐久性。主要結構還應盡可能采用多路傳力的結構布局和止裂技術，從而提高結構壁板的損傷容限特性。

目前美國的波音公司和歐洲的空中客車公司的系列飛機機身均為半硬殼式結構，但是機

身結構中的普通框的組合結構形式又都各不相同。但這些結構形式都滿足適航條例的要求，而且也都經過了大量試驗驗證和長期飛行實踐的考驗，證明是成功的設計，具有良好的抗疲勞開裂、抗腐蝕和抗意外損傷的結構品質。

麥道系列飛機機身的普通框是。由Z 形剖面和L 形剖面板彎件鉚接而成，框緣為不直接與蒙皮相連的“浮框式”，L 形剪切角片與蒙皮相連可起到一定的止裂作用，以防止在環向應力作用下縱向裂紋的擴展。但框緣直接與長桁彎邊相連，在座艙增壓時，被連接的長桁彎邊會因偏心而易產生裂紋。 波音飛機（如波音747）的機身結構使用了框、角片分別與帽形長桁的直邊兩側相連，就很好地解決了麥道飛機存在的上述問題，并且用框加強型材的方式很好地補償了由于長桁通過給框腹板帶來的開口削弱，也就防止了框腹板開口處裂紋的產生。 而空中客車系列飛機的機身結構則是利用L 形板彎件與框桁角片合二而一的剪力片，將蒙皮、框腹板和長桁連接起來。 經過大量的試驗驗證，它不但具有與波音、麥道飛機機身結構同樣的功能，而且減少了零件的數量，便于協調、裝配。 烏克蘭的安-12 飛機采用了S 形剖面和L 形剖面板彎件鉚接而成，框緣同樣為不直接與蒙皮相連的“浮框式”，用角片將框腹板和長桁立邊連接。

1 框的布置

普通框是機身橫向骨架的主要構件， 通常情況下在機身的等剖面段，即機身的前中段和后中段，都是以508mm(20in)或483mm(19in)沿機身縱向等間距布置的。 在等剖面段等間距普通框的布置不但有利于工藝而且在以后的機身座艙需要加長或縮短時，都會帶來很大的方便。

在機身與機翼前、后梁對接框之間，即機身中央翼段，普通框的布置受到總體布局、翼上應急出口安排的限制，應按照實際結構情況進行布置。

機身前段則采用密框距布局，主要是由機身前段的載荷狀態和駕駛艙風擋構型而確定，其框距大約在250-310mm 不等。

機身后段的普通框的布置比較復雜，它主要受到水平尾翼和垂直尾翼總體布局的影響，考慮尾翼與機身的連接、尾翼的結構布置，甚至機身尾部發動機的安裝等因素，除了正常布置的普通框外，在垂直尾翼連接區域還會布置斜框。

多數普通框都是Z 形和L 形剖面的板彎件組合體， 其材料為2024-T42 或LY12-CZ， 材料厚度， 機身上部普通框厚度比下部小一級。普通框的結構剖面尺寸主要取決于框的結構剛度不會引起機身的總體失穩。

2 安-12 飛機普通框框緣具體分為兩種

一種是S 形板彎構成；另一種框緣是由2 個型材和腹板組成的S形框。 在壁板裝配中由于壁板分塊、工藝要求等元嬰需要對普通框分段，并在分段處進行對接；連接件一般用LY12 材料的帶班和連接板。

因框緣形狀的不同，具體對接形式也不一樣，連接形式也不一樣，總的說來，分為以下幾種：

2.1 板彎框緣與板彎框緣的對接

板彎框緣與板彎框緣在長桁處對接，內框緣外側用一長條形帶板連接，外框緣在彎邊內側用角材連接，補償片延伸至下一長桁邊緣處，以保證框緣腹板面的連接。

2.2 型材框緣與板彎框緣在長桁處對接

型材框緣與板彎框緣在長桁處對接， 內框緣外側用連接板連接，外框緣處在板彎框緣與型材框緣立邊外側用連接板連接；補償片延伸至卜,一長桁邊緣處，以保證框緣腹板面的連接；在補償片上，框緣對接處連接一加強板，以增加對接處腹板強度。

2.3 型材框緣與型材框緣的對接

型材框緣與型材框緣在長桁處的對接形式與型材框緣與板彎框緣的對接形式類似，內框緣外側用連接板連接，外框緣處在型材框緣立邊外側用連接板連接；補償片延伸至下一長桁邊緣處，以保證腹板面的連接；在補償片上對接處連接一個加強板，以增加對接處腹板強度。

3 校核對接強度

框緣對接是典型的板彎框緣與板彎框緣的對接，內框緣外側是由材料為LY12-δ3 的鋁合金連接板和3 個Φ4 鉚釘連接，外框緣內側是由材料為LY12-δ2 的鋁合金角材和3 個Φ4 鉚釘連接。

Φ4 鉚釘許用剪切載荷[P]=314kg

根據強度報告，內框緣σ1=509.4kg/cm2

內框緣面積A1=0.57cm2

單個鉚釘剪力P1=σ×A1/3=509.4×0.57/3=96.8kg

單個鉚釘剩余強度系數η=[P]/P1=314/96.8=3.24

外框緣σ2=287.2kg/cm2

外框緣面積A2=0.57cm2

單個鉚釘剪力P2=σ×A2/3=287.2×0.57/3=54.6kg

單個鉚釘剩余強度系數η=[P]/P2=314/54.6=5.75

因此，此處對接強度滿足要求。

［1］飛機設計手冊:第9 冊 載荷、強度、剛度[M].航空工業出版社.