大飛機中央翼盒設計方案分析

李林

（沈陽飛機工業（集團）有限公司 遼寧沈陽 110850）

摘要：中央翼盒與外翼及機身相連，承受和傳遞重要的飛機載荷，是中機身客艙地板的支持構件，飛機結構材料的選用決定著不同的設計方案。下面就以采用不同材料的方案一和方案二飛機的翼盒設計對比，來展示不同的飛機設計方案。

關鍵詞：中央翼盒；損傷容限；破損-安全；自動鋪帶（ATL）

中央翼盒由上下壁板、前后梁和中間肋組成，是機翼的主要承載結構，也是飛機油箱。其設計要滿足靜強度、破損安全、疲勞、損傷容限、整體油箱等細節設計要求。設計方案的擬定，還要綜合考慮材料選用、加工工藝、裝配和維修等技術。按上述設計要求，從翼盒布局及零件結構設計方面對選用不同材料的方案一飛機和方案二飛機分別進行論證，詳解不同的民用飛機設計理念。

1 材料選用

方案一飛機中央翼盒為全金屬結構。

方案二飛機中央翼盒為金屬、復合材料混合結構，復合材料用量占中央翼盒重量的41.58%。

復合材料相較金屬材料，有較好的比剛度、比強度，耐疲勞、耐腐蝕性能。

2 上、下壁板

方案一飛機壁板，考慮破損-安全特性，金屬制造的上壁板分成2塊，采用7000系材料；下壁板選用2000系板材和型材，由前、中、后3塊壁板組成，包括2個連接前、后壁板的接頭。

方案二飛機壁板上、下蒙皮和T型截面長桁采用碳纖維復合材料，分別由自動鋪帶工藝（ATL）制造，然后共固化成型。

復合材料抗腐蝕和裂紋擴展性能好，有良好的損傷容限特性，比金屬結構維護費每年減少30%，重量減輕30%-40%。

3 前、后梁

方案一飛機翼盒前梁采用組合式腹板梁，由梁緣條、腹板和立柱及對接接頭和對接帶板組成。后梁采用整體梁。其核心部分由鍛件機加而成，沿翼梁展向腹板上設置止裂筋條，以提高抗裂紋的許用應力。

方案二飛機前、后梁均采用碳纖維預浸料自動鋪帶機制造，加筋一體共固化成型。前、后梁均由腹板、內表面共固化的2根水平加筋、外部機械連接的4根垂直加筋組成。

翼梁采用金屬結構，零件數量多，增加結構重量，材料利用率低，且損傷容限低，增加了制造和維護成本。

復合材料零件一體成型，結構型式簡單，有良好的損傷容限特性。

4 中間肋

方案一飛機翼盒上、下壁板內側由鋁合金構架肋連接，以加強中央翼盒。鋁合金構架支柱，一端可調節長度便于安裝。

方案二飛機因壁板及翼梁為復合材料加筋共固化制造，整體承受外翼載荷的能力較強，可采用順航向對稱布置的單面機加的腹板肋，這樣的整體設計減輕了翼盒總重。

構架肋通過支桿的方式支持翼盒結構，結構型式簡單，制造成本低，內部開敞性好，重量輕并在裝配和維護時十分方便。

腹板肋制造成本高，開敞性差，但其增強了翼盒整體結構抗彎、扭的能力，減輕了蒙皮、翼梁的承載。

對于構架肋方案來說，由于支桿與接頭之間通過插耳銷軸連接，這種連接方式有一定的“靈活性”，積累的電荷容易在結構間隙中尖端放電產生火花，造成油箱起火，設計不能從根本上解決問題，就需要經常進入到翼盒內部進行檢查，需要拆卸整流罩等其他部件，增加了維護成本。因此按最新適航條例油箱安全要求，內部肋采用腹板肋更合適。

5 檢修口布置

方案一飛機在整體機加的后梁腹板上布置2個檢修口，在開口區域用筋臺加強。

方案二飛機選擇在復合材料下壁板作維修通道開口。因翼盒為密閉結構，且其內部為腹板肋，為保證維修人員進出或發生意外時救援方便，檢修口布置為四個，且有利于維修時翼盒內部通風。

翼梁主要承受彎曲載荷，若在復合材料梁腹板上作大的開口，在剪應力作用下，將嚴重降低腹板屈曲穩定性。下壁板主要承受拉伸載荷，符合復合材料受力特性，且方便人員進出及操作，所以方案二飛機選擇在下壁板作維修通道開口。

6 翼身連接

方案一飛機外翼上、下壁板分別搭接在鈦合金的十字接頭和T型接頭上，同時在下壁板對接處用鈦合金帶板連接，壓力接頭連接上壁板長桁和根肋腹板。十字接頭上部連接機身側壁板。

方案二飛機由于采用碳纖維T型長桁共固化的壁板，翼盒、外翼上壁板長桁在根肋處分別由兩片長桁接頭直接夾持連接在肋腹板上。同時在翼盒上壁板外表面有5根短梁與機身側壁板加強框相連，相應的在根肋內側有5根支持框。

方案一飛機通過根肋、十字接頭及翼盒上壁板與機身側壁板的柔性連接傳遞機翼蒙皮剪力到機身。機翼傳來的彎矩大部分進入中央翼區而自身平衡。機翼傳來的扭矩一部分分解成剪力，另一部分以剪流形式在機翼根肋通過“T”型材傳入機身，與機身的彎矩相平衡。

方案二飛機由于上壁板是復合材料制造，機翼蒙皮傳來的剪切載荷主要通過連于中央翼上表面的5個帶短梁的加強框，及機身、機翼的連接型材傳入機身。中央翼上壁板的5根與框相連的短梁、5個根肋支持框，既有較強的自身結構又堅固的支持上壁板，增加上壁板的穩定性。此區域結構5根短梁載荷多路傳入機身，又能獲得關鍵件較高的疲勞和破損安全壽命。

7 結束語

通過上述對比分析，飛機翼盒應用復合材料設計、制造，采用共固化等技術，可大量減少零件、緊固件數量，從而實現飛機結構減重，降低裝配成本，增加飛行可靠性。

復合材料結構的采用是改進飛機結構、降低油耗的重要途徑。復合材料會逐步取代鋁合金材料成為收音機設計的主要材料。

參考文獻：

[1]飛機設計手冊總編委會. 飛機設計手冊：結構設計. 航空工業出版社，2000.10

[2]張佐光，李敏，陳紹杰. 飛機結構用先進復合材料的應用與發展.復合材料—基礎、創新、高效：第十四屆全國復合材料學術會議論文集（上）.2006