基于某型飛機的機身總體承力結構布局方案研究

佟德喜

摘 要： 本文主要論述了在飛機型號研制初期，為適應總體參數不斷變化的情況，快速選定較合理的機身總體承力結構布局方案的一種方法。該方法主要基于在已成功研制型號上應用的有限元切面計算程序及常用的EXCEL、CATIA軟件，操作簡單，容易上手，基本能夠滿足型號研制初期進行方案選擇的使用要求。

關鍵詞：機身；總體承力結構布置方案；有限元切面計算程序

目前的結構優化設計軟件主要集中在結構尺寸和形狀的優化，而結構布局優化還不夠成熟，涉及較少；傳統的飛機研制方案階段的結構布局優化軟件，需提供的數據量大，方案初期總體數據不斷調整，結構布局方案隨之變化，單純依靠結構布局優化軟件提供結構布局方案，周期過長，難以滿足在當前緊迫的型號研制工作中的需求。因而如何利用現有工具軟件，通過定量的計算得到一個較合理的方案，就成為一個關鍵的問題。對于當前型號，重量問題尤為突出，因此評價方案合理與否的關鍵因素是重量。

參照原準機定性選擇出較好的幾個方案，分別進行選擇截面、強度校核，修改截面、再強度校核，重復迭代將各個方案調至相同的應力水平，按照各個方案的最終截面進行重量比較，綜合考慮以選定一個最終方案。

1 概述

主要步驟包括在CATIA中建立幾何模型、應用CATIA知識工程進行結構數據的提取、使用EXCEL將結構數據轉化為切面計算程序的輸入、切面計算程序計算、計算結果的處理等。

其關鍵在于結果處理中應力水平的控制。

以現有某型飛機機身蒙皮、長桁結構布局四種方案的優選為例進行說明。

待總體確定機身外部艙門位置后，各大梁位置基本確定，因此總體承力系統的布局調整集中到蒙皮和長桁的調整上面。

2 某型飛機蒙皮、長桁布局優選

2.1 總體承力系統CATIA模型的建立

假設長桁都承受正應力而不失穩，蒙皮只能承受剪流，

2.2 結構數據的提取

以常規切面計算需提供的切面數據為有限元切面計算的切面原始數據。包括：節點號、節點座標、長桁面積、蒙皮厚度等。并將其轉化為切面計算程序的輸入格式，如圖2所示。

2.3 計算結果的處理

計算結果圖3所示。

2.4 臨界應力的計算

蒙皮、長桁均按2A12材料進行計算。為提高長桁局部臨界應力，均選用帶圓頭的擠壓型材，這樣局部臨界應力都大于300MPa。因此，長桁只需用總體失穩臨界應力來控制即可。

對于鉚接在蒙皮上的長桁，由于它只能和蒙皮一起彎曲，而蒙皮在其本身平面內剛性很大，難以發生彎曲，所以長桁只能繞x軸（即垂直于長桁縱軸而又平行于蒙皮平面的一條軸）而失穩。

（2）求臨界應力

按歐拉公式 計算得 =117MPa，與相應的切面計算桿件的壓應力比較，將安全裕度MS控制在一定范圍內，如0～1之間，以達到對桿件應力水平的控制。

按照以上步驟將定性選出的幾個方案的桿件應力水平控制在近似相等的程度，根據最終的截面尺寸計算各個方案的重量，以重量最輕原則優選出一個最終的方案。

3 型號研制中的應用

根據切面計算結果及其分析，上體長桁間距110mm比較合適。

通過大量計算、分析、對比，結論是：密長桁、薄蒙皮確實可以保證強度和減輕重量，例如桁距200mm和桁距105mm比較，每平方米長桁、蒙皮組合減重1.322千克。

4 結語

本文的研究工作是建立在某型飛機機身的CATIA理論數模上，在此數模上進行長桁、蒙皮的布置，

但遺憾的是由于時間的關系，只選取了13-18框的桁梁、蒙皮進行了四個方案的比較優化，而且未與相應的布局優化軟件分析結果進行對比分析，這一點將是我今后首要解決的問題。同時由于研制階段的限制，目前的載荷工況并不完全，因此，只能暫時確定布局，相應的結構尺寸僅供參考，不能直接應用。

目前是考慮了加工尺寸及艙門位置進行的蒙皮分塊，若完全按應力分布進行蒙皮分塊，或許可以得到更輕的重量方案。

參考文獻：

[1]孫爾業譯.《飛機結構典型強度計算機身計算》.中國人民解放軍軍事工程學院.1957年5月.

[2]郭景川.《飛機結構靜強度、剛度、損傷容限綜合設計》.強度研究所.2006年.