機身開口加強檻梁兩種結構對比

袁寧寧 郭沛欣

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機身開口加強檻梁兩種結構對比

袁寧寧 郭沛欣

針對機身開口加強結構中的檻梁結構，對整體檻梁和組合檻梁這兩種結構形式進行了對比分析。首先介紹檻梁結構在機身上的位置，對檻梁結構的受載進行了分析和總結。然后通過從傳力、重量、制造三個方面對這兩種梁進行了詳細的對比分析。從而總結出組合截面梁傳力效率高，重量輕，材料利用率高、制造修理方便的優點，更加適用于民機的設計。

本文艙門的開口，常常設在機身的重要承載部位，這些開口破壞了機身原來受力結構的完整性、連續性，開口周圍的載荷將發生變化，重新分布。因此必須對開口處結構采取加強措施。一般來說，艙門根據使用要求和承受載荷的能力分為“堵塞式”和“非堵塞式”兩類。堵塞式艙門從里面關閉以保證密封增壓飛機的安全，如旅客艙門及服務艙門。此類艙門開口除了在開口區域墊于蒙皮內側或外側的鋁合金加強板之外，在開口的上、下、前、后分別布置了一根薄壁組合梁。這種結構將承受由于飛行條件而引起的機身剪力和彎曲力，以及由于座艙壓力而引起的環向張力和縱向張力。而位于登機門開口上下兩側的加強梁結構通常被稱為檻梁。本文主要研究處于客艙門或應急門開口的檻梁結構。

檻梁結構形式介紹

1）整體檻梁的結構形式

整體檻梁是梁緣條、腹板和加強筋不需要任何連接而形成一體的梁。一般由熱軋厚板或鍛造毛坯經數控機械加工實現，主檻梁與輔梁采用連接條帶連接，框與檻梁也用角片連接，如圖1所示。

2）組合檻梁的結構形式

組合檻梁的形式如圖2所示。主要由梁緣條、腹板、接頭組成，上下緣條一般由L形擠壓型材機械加工制造。梁腹板由軋制板材經機械加工或化學銑切制造。隨著復合材料的發展，復合材料逐漸被用作腹板的材料。緣條與腹板采用緊固件連接，根據檻梁的使用情況和設計要求選用緊固件。

圖1　整體檻梁

圖2　組合檻梁

檻梁的受力分析

檻梁位于機身大開口的上下兩側。開口的存在導致開口周圍的載荷重新分布。目前主要考慮以下四種設計載荷情況：

A）機身蒙皮剪切——考慮各種飛行條件

B）切斷桁條載荷——考慮各種飛行條

C）縱向和周向拉伸載荷——機艙增壓條件

D）帶銷座的插塞式艙門——機艙增壓條件

來自機身蒙皮開口附近的常剪流傳遞至加強框與檻梁上；切斷桁條后，機身彎曲帶來的載荷在開口處也將重新分布。切斷桁條上的載荷經過了一個框隔間的距離后，傳遞至開口兩側的主檻梁上。切斷桁條載荷引起的附加剪流；而由于座艙增壓帶來的載荷重新分布對于檻梁的影響主要有以下幾種：1）座艙增壓引起開口兩側壁板中的縱向張力引起上下主檻梁內的拉伸載荷；2）開口區四角處的壁板內的剪流也引起檻梁中軸向載荷的增加；3）環向張力會引起檻梁內的彎矩，并且檻梁對邊緣框會有支反力；4）角板的固定引起隔框與檻梁之間的徑向載荷。

對兩種檻梁結構進行對比

目前民用飛機多采用組合截面檻梁，如B777，B787均大量采用組合截面的梁。組合截面梁相對于傳統的整體檻梁有很多優勢，下面從三個方面進行闡述。

1）傳力更加直接，傳力效率更高

整體機加檻梁通過連接帶板連接，連接形式截面如圖3所示。梁中的剪流從左側梁的緣條通過緊固件傳給剪切角片，然后再通過緊固件傳給右側梁的緣條；

組合檻梁中的剪流直接從緣條傳遞，如圖4所示，相對于整體機加檻梁的傳力更加直接。

2）重量更輕，材料的使用效率更高

由工程力學中慣性矩的計算可知，槽型截面的緣條面積對慣性矩的貢獻較大，腹板的截面積對慣性矩的貢獻較小，慣性矩與梁的彎曲剛度有關。適當減少腹板的厚度在對彎曲剛度影響很小的情況下可減輕結構的重量。

金屬機加件對于材料的厚度有最小尺寸的要求，對于整體機加檻梁來說，若通過減小厚度來減輕重量，腹板厚度不能低于1.6mm，則減重有限。

而對于組合截面梁，腹板不僅可以使用金屬材料也可采用復合材料，腹板采用復合材料的檻梁形式已在B787上應用。而采用復合材料的檻梁，重量更輕。另外組合截面梁的腹板和緣條采用不同的材料可以充分利用不同材料的特性，取長補短，使結構達到最佳承力效果。

3）生產制造及修理更加方便

圖3　整體檻梁的傳力

圖4　組合檻梁的傳力

如圖2所示，腹板和緣條是獨立的，不同框之間的腹板也是獨立的，這給維修和生產帶來很大方便。若出現較大的損傷，也可直接更換。另外，在生產制造過程中，主體結構經常有與其他系統件協調的需求，為協調系統件的位置，需要主結構避讓。而組合截面的檻梁則體現出優勢，開孔避讓更加方便。

結語

從上面的比較可知，無論從傳力效率，材料利用率還是從生產制造方面比較，組合截面梁明顯優于傳統的整體檻梁，另外整體檻梁阻止裂紋的擴展能力也較差。所以在民機設計過程中，應優先考慮組合截面檻梁的結構形式。

袁寧寧 郭沛欣

上海飛機設計研究院

袁寧寧（1989－）女，漢，江蘇省徐州市，上海飛機設計研究院助理工程師，碩士。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.008