典型盒型承壓結構設計與分析

薛 斌

（中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院，上海 201210）

典型盒型承壓結構設計與分析

薛 斌

（中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院，上海 201210）

龍骨梁為飛機結構中重要的縱向加強件，主要承受壓縮載荷。國內外對此結構的設計思路多種多樣，但基本以盒型結構作為主要承載單元。針對飛機龍骨梁中常見的兩類典型盒型結構，從受壓屈曲模態、應力分布兩個方面，利用ABAQUS分析了兩種筋條-蒙皮材料分配比例盒型結構的設計特點，以期能夠對盒段結構的細節設計過程起到幫助。關鍵詞：盒型結構；承載特點；有限元分析

龍骨梁是機身中部與機翼相連處重要的縱向加強件，為機身中部起落架艙和中央翼大開口提供開口補強。對于大多數下單翼飛機而言，龍骨梁主要承受壓縮載荷。載荷的來源包括龍骨梁側壁板承剪的方式轉化中央翼盒扭矩、后機身重力以及水平安定面產生的俯仰平衡力矩。對于部分寬體飛機（如波音787），龍骨梁還承擔了由剪切板轉換成為壓縮載荷的后機身垂直方向剪力。

受到結構形式、飛機設計思想繼承性以及工藝水平等多方面的影響，龍骨梁的結構設計思路也有很大不同。空中客車系列的飛機的龍骨梁（后稱A型）采用了剛度相對較低的縱向筋條配合較強的壁板蒙皮組成盒形結構承受壓縮載荷。以麥道-82/90為例（后稱B型），主要通過剛度很高的主筋條配合各個方向防止失穩的支撐件，確保其能承受較高的應力水平。盒段結構的設計需要考慮減輕重量和具體制造過程所需的施工空間，在壁板的適當位置布置開孔。

龍骨梁結構貫穿整個中央翼、起落架艙區域，并向前后機身延伸，從位置上可以劃分為中央翼段、起落架艙內段和前后延伸段。其中，對于大多數龍骨梁結構而言，起落架艙內段主要承受壓縮載荷，本文即針對該區域進行分析。在工程中，為取得計算精度與效率的平衡，主要采用板-桿結構通過結構力學或有限元建模的方式進行分析和校核[1-2]。由于該兩類模型相對實際結構簡化過程的存在，導致其對細節分析能力較弱。本文采用ABAQUS中廣泛使用的4R殼單元和B31梁單元[3]建立細化模型，以期獲得更詳細和全面的分析。

1 A型盒段模型的建立與分析

1.1 模型描述

A類模型包括上蓋板、左右側壁板、底部壁板和中間隔板。在上蓋板上布置有4根緣條，在底部壁板上布置有5根緣條。龍骨梁的上蓋板、側腹板、下蒙皮材料為7475-T351，緣條材料為7150-T7751，隔板材料為7050-T7451。為了避免端部效應的干擾，分別向前/后延伸兩格用以施加載荷與位移邊界條件。有限元單元的選擇方面，使用殼單元模擬壁板蒙皮、梁單元模擬上下壁板加強筋。其中，梁單元的截面尺寸與實際尺寸相同，蒙皮尺寸選取未加強部分厚度進行計算。為了方便計算和分析，對實體模型進行了簡化，圖1為顯示材料厚度及筋條截面后，A型龍骨梁所采用的盒段結構的有限元模型。

圖1 A型盒段模型截面

邊界條件方面，加載端建立參考點，與加載端部邊緣所有節點綁定，施加壓縮方向上的單位載荷。約束除加載方向以外加載端邊緣的其他方向自由度。支持端約束全部邊緣的各個自由度。兩側由分析對象所在格段分別延伸兩段以消除端部效應的影響。如圖2所示。

圖2 有限元網格劃分

有限元單元包括S4R殼單元和B31梁單元，整個模型包括54051個單元和56690個節點。模型輸出殼單元和梁單元的應變、應力及位移數據用于比對。計算過程使用ABAQUS線性攝動步進行屈曲模態和特征值計算，靜態加載過程進行線性壓縮段應力和應變分布的模擬。為研究減重孔影響，同時建立不含減重孔的盒段模型，進行比較。

1.2 計算結果分析

（1）穩定性分析

為研究減重孔對于盒段結構發生失穩的載荷、模態產生的影響，本文首先計算了盒段的屈曲模態與屈曲特征值。表1為分析段屈曲模態及對應特征值。

根據表1可知，減重孔的存在，大幅改變了盒段結構出現局部屈曲的位置和特征值。對于不含開口的盒段結構，由于蒙皮受到四個邊界上的約束，上壁板兩根長桁間蒙皮中部發生局部失穩。雖然特征值較高，但蒙皮失穩范圍較大，一旦發生失穩，可能會直接影響結構的承載能力。對于含有減重孔盒段結構而言，上壁板中部加強長桁位于開口邊緣的位置成為失穩危險位置。

表1 減重孔對屈曲模態影響

根據屈曲變形的位移云圖（見圖 3），可以看出該區域蒙皮開口削弱了蒙皮對于筋條的支持作用，筋條在面內和面外方向均較易產生失穩，承載能力降低。因而，對于該類含有較厚壁板的盒段結構而言，開口周邊的補強，不僅要考慮壁板本身的強度校核，應當同時考慮開口加強件具體形式對于筋條的支持。

圖3 局部屈曲位置梁單元位移云圖

（2）面內應力計算分析

應力分布的分析計算工具采用ABAQUS進行，為了避免端部效應影響分析，如第2節（用序號代替）1.1節中所述，選取中部分析段進行研究。由于本文所述模型壁板較厚，在承擔剪切應力的同時將分擔部分長度方向軸力。本節中，輸出模型殼單元的面內主應力以及剪切應力，并表示其具體位置。用以分析減重孔對于模型應力分布的影響。

由表2可以看出，未開孔模型的最大剪切應力出現于中部橫向隔板與長桁交接位置處。隔板連接位置處由于隔板剛度較高，主要依靠長桁進行承載。而隔板中部蒙皮剛度較高，參與承受壓縮應力。因而，此處的壁板蒙皮通過剪切的方式自壁板詳蒙皮傳遞載荷。從而形成了高應力區域。

表2 減重孔對于應力分布影響

對于含有減重開孔的盒段結構而言，由于壁板中部蒙皮開孔的削弱，蒙皮壁板較少參與承受壓縮應力，因而連接位置處剪切應力水平較低。剪切載荷危險點出現于開孔對角線位置處。

面內主應力方面，與上述原理相同，最大應力點出現在隔板連接處的四周壁板蒙皮處，位置與含減重孔件相同。但值得注意的是，孔邊也是主應力集中的危險點。

2 B型盒段模型的建立與分析

2.1 模型描述

如圖4所示，麥道82龍骨梁盒段采用了四根高剛度的承壓筋條和較薄的壁板組成盒段承受壓縮載荷。盒段間采用開孔壁板為蒙皮提供支持，四根主承力筋條之間橫向布置加強筋為主筋條提供橫向支撐，以提高其失穩載荷。本文按照B型建立與A型龍骨梁盒段截面積相同的盒段模型，按照蒙皮厚度與寬度比例折算模型壁板厚度，并將第1節（用序號表示）1.1節中模型上下壁板中部工字型筋條截面積折算到四周筋條上，進行建模。有限元模型及數模截面尺寸對照如圖4所示。

圖4 B型盒段模型截面截面

建模方法、選用單元以及邊界條件的添加與前述類似，在此不再贅述。

2.2 計算結果分析

（1）穩定性計算分析

本文計算了盒段的屈曲模態與屈曲特征值。表3為分析段屈曲模態及對應特征值。

表3 減重孔對屈曲模態影響

由上表可以看出，蒙皮開孔的存在提高了局部失穩載荷。與上節所述結構類型不同，本節中壁板蒙皮厚度較低，且中部缺乏加強筋對于蒙皮的有效支持。另一方面，四根筋條之間的加強也主要依靠壓縮剛度更高的橫向加強件實現。因而，蒙皮在較低載荷下即出現了失穩的現象。增加減重孔之后，蒙皮載荷進一步降低，反而提高了出現局部失穩的載荷。綜上可以總結得出，對于本節所述結構形式的盒段結構而言，減重孔并不會對整體穩定性造成影響，但是，值得注意的是，蒙皮的局部失穩大變形，可能會對蒙皮與筋條連接位置邊緣緊固件帶來很大的附加拉拔力，帶來潛在危險。

（2）面內應力計算分析

由表4可以看出，該類結構形式盒段承受壓縮載荷是，最大剪切應力位于隔板與壁板連接位置處。而開口之后，危險點在開孔邊緣對角位置。面內主應力方面，不含開孔的盒段結構上下表面應力水平較低，危險點位于橫向隔板與上下壁板連接處的邊緣。而開孔的存在進一步降低了孔兩側的應力水平。

表4 減重孔對于應力分布的影響

3 兩類結構形式的對比和優化

綜合上述分析可以總結得到以下結論：

從開口的角度分析，以A型結構形式為代表，選用厚壁板配弱筋條的盒段結構，壁板應力水平較高，因而開口的存在會顯著增加筋條上的應力。另一方面較厚的壁板可以為筋條提供更強的支撐，減重開孔的存在導致臨近筋條在面內和面外方向均較容易發生失穩，從而使整體承載能力受到影響。因而，對于該類結構形式的盒形結構而言，開口區不僅應考慮蒙皮強度的校核，還應考慮開口區剛度的補強。而對于薄壁板配合強筋條的B型結構形式的盒段結構來說，由于壁板相對筋條剛度非常低，對于盒段結構承載能力貢獻不大，開孔本身并不會對筋條承載產生直接影響。根據計算結果可以看出，開孔由于進一步消弱了蒙皮剛度，以及承載能力，反而提高了其失穩特征值。對于該類結構，值得注意的是，蒙皮發生局部失穩后，產生的面外方向的位移，可能會對蒙皮與筋條連接位置施加附加載荷，影響校核的結果。

從抵抗損傷能力的角度分析，含有強筋條及薄壁板的盒形結構，壁板剛度及應力水平較低，主要通過筋條進行承載。而筋條在隔板位置得到了加強筋較強的支持，故可以提高其應力水平，從而獲得較高的承載效率。但是，一旦高應力的筋條受到損傷，會對結構整體造成巨大的影響。厚蒙皮與弱筋條組合的盒形結構，依賴筋條與蒙皮組成的厚加筋板結構進行承載，蒙皮應力水平相對較高，一旦發生失穩將直接影響整體承載能力。因此該類結構需要控制整體應力值。這種特性意味著該類結構抵抗損傷的能力相對強筋條配弱蒙皮的結構形式更強。

從連接的角度分析，B型盒段結構應力主要集中于龍骨梁的四根加強筋條上，需要較長的距離才能將載荷傳遞到機體結構。另外在加強筋與機體連接位置處，也需要謹慎選擇緊固件的直徑，并嚴格控制制孔公差，才能避免出現局部的應力集中。對于A型盒段結構來說，蒙皮及筋條的應力水平分布較為均衡且數值較低，并不需要很長的延伸段來分散傳遞龍骨梁上的集中載荷。另外在擴散段的連接上，也可以適當降低緊固件的選配和制造精度要求。

[1]牛春勻.實用飛機結構應力分析及尺寸設計[M].北京：航空工業出版社，2009.

[2]楊衛平.飛機結構有限元建模指南[M].北京：航空工業出版社，2013.

[3]Abaqus Scripting User's Manual.Dassault Systèmes Simulia Corp，2010.

Design and Analysis of TypicalBox Structure Under Compression

XUE Bin
（Commercial Aircraft Corporation of China，Ltd.Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai201210，China）

Keel beam is a crucial longitudinal structure of airframe，which mainly bears compression.Although the design of this structure is varied，box structures are the basic bearing units on pressure ofmost airplanes.In this paper，two kinds of typical box structure，with differentmaterial distribution in skin and stringer，are analyzed by ABAQUS in buckling mode and stress distribution.The design characteristics of these structures are summaries with a will to help the detail sizing of these kind of structures.

box structure；load bearing characteristics；FEM analysis

V223.2

A

1672-545X（2015）09-0036-04

2015-06-14

薛 斌（1988-），男，上海人，助理工程師，飛行器結構設計。