半硬殼式金屬機身桶體結構布置方法

李柯楠　陸丹

【摘 要】本文以典型半硬殼式金屬機身桶體結構為研究對象，根據機身受載情況給出典型的機身桶體結構布置形式。

【關鍵詞】半硬殼式；機身桶段結構布置

0 前言

機身是飛機的最主要承力結構之一。按飛機的總體布置，機身的剖面是一個有相當高度和寬度的兩端收縮的桶體。廣泛使用的民用飛機機身都是由一系列框支撐的加筋蒙皮壁板構成。研究機身的配置是一個涉及面廣直接影響結構效率的十分重要的核心問題。

1 機身通體概述

在民用飛機設計中，針對機身的幾何形狀和受力特點，機身桶體配置的要素有三個方面，首先是蒙皮的厚度；其次是加筋件（長桁或梁）的數量、面積及分布；而后是支持框的剛度與框的分布間距。機身結構一般選擇結構效率高的由薄壁蒙皮、加筋長桁、支承框構成的典型的半硬殼式結構形式，主要的受力構件蒙皮和長桁都盡可能布置在遠離中心軸的外形邊上，以獲得最高度結構效率，如圖1。

2 材料選擇

材料選擇主要考慮零件工作狀態的應力形式，一般受拉區域的結構件選擇抗疲勞性能好和裂紋擴展速率低的材料。

對于金屬機身桶段設計，蒙皮通常采用2000系列的鋁合金，現在也可以選擇力學性能更好的鋁鋰合金，對增壓艙蒙皮絕對不能選擇7000系列的鋁合金。長桁可根據受力的大小選擇2000系列或者7000系列的鋁合金。框在各個不同部位剖面應力狀態不盡相同，有的部位為受拉區，有的部位為受壓區，切面上有彎矩。可都選用2000系列鋁合金，也可在主要為受壓工作狀態的下部選用7000系列鋁合金。

3 機身桶體結構布置

3.1 蒙皮

機身蒙皮的厚度需要考慮承受軸向力、二個方向剪切力、二個方向的彎矩、扭矩及座艙壓差載荷的作用下有足夠的強度與適當的剛度，其工作應力應該小于元件允許的許用應力。飛機各部位受載情況不一致，在不同的位置的蒙皮應該配置不同的厚度才能獲得較高的結構效率。因此，在設計中通常采取的方法是：

a）首先按照蒙皮的主要工作狀態選擇一個最小的蒙皮厚度，作為蒙皮厚度的基點；

b）而后再考慮各處不同的承載要求，分區進行必要的加厚。

民用飛機機身的大部分是增壓艙，增壓艙的蒙皮需要承受氣密載荷，蒙皮面內應力有環向應力τyz和縱向應力σx，如2所示，其中環向應力為縱向應力的2倍，其大小分別為：

τyz=ΔpR/t，σx=ΔpR/2t

由于氣密載荷是反復加載的疲勞載荷，因此在保證規定的使用壽命時，對于蒙皮的應力必須進行有效的控制。通常的做法是通過適當控制的1G狀態的工作應力水平，以保證飛機有一定的工作壽命。

因此，對于增壓艙，一般用一個規定的1ΔP工作狀態的應力，以確定機身蒙皮的最小厚度，一般可以將1ΔP工作狀態下的應力控制在70MPa～100MPa。使用環向應力σ=ΔPR/t來估算蒙皮化銑區最小厚度t，機身截面中不同半徑的蒙皮區域需分開處理。具體設計時還需兼顧考慮與其它載荷組合的影響。

3.2 框

機身結構中的框對機身桶體起支撐作用。框的剛度與框間距離的選擇也對蒙皮厚度的選擇有一定的影響。一般的旅客機和運輸機框的間距離在16～21英吋之間，縮小框間距離，增加框的密度，則可以明顯降低此附加彎曲應力。

3.3 長桁

長桁作為壁板的加筋件，其主要功用是與蒙皮組合構成承力的加筋板，加筋板構成的整個桶體的承受截面的軸力、二個方向的剪力、二個方向彎矩和扭矩。長桁的功用是主要承受軸力和彎矩引起的軸向力。保持結構完整性的條件是其拉伸或壓縮的工作應力應小于其材料的許用應力，元件的鄰界失穩應力。長桁的布置既要考慮提供桶體的整體剛度，同時還應該考慮剖面因開口造成結構不連續引起的元件應力提高，往往需要布置相應加強構件，考慮在某些部位桶體承受及傳遞局部載荷的需要。因此在長桁數量及分布時推薦下列幾個布置原則：

（1）按總體布置的要求，首先確定關鍵長桁的位置。按以下四個方面要求選擇關鍵長桁：

a）考慮因機身開口需要的縱向加強件位置，對于民用飛機一般指：登機門開口，服務門開口，應急出入開口，貨艙門開口，前起落架艙開口，設備艙艙門開口等。關鍵長桁位置點不應該簡單地直接選擇開口邊緣，而應該結合加強構件的剖面特征，考慮與前后構件的有效方便的連續連接，慎重選取合適的點位面作為長桁節點。

b）剖面發生劇烈變化區域的加強件的位置。例如機翼機身對接區的縱向受力件布置要求，主起落架艙區的龍骨梁布置要求。

c）承受有集中載荷的地板梁位置。

d）承受機身內設備布置固定的載荷的要求。例如重量較大的組合設備支架的支撐點，客艙行李箱的支持架的支撐點等。

（2）長桁間距主要根據經驗和穩定性確定。

（3）在確定關鍵長桁位置后，一般是在關鍵長桁形成的分段內均分。為提高承載效率，原則有以下2條：

a）是在受拉區節距可適當大一些，在受壓區節距相對小一些，

b）機身半徑小則節距可適當大一些，反之則可相對小一些。

（4）通常的長桁剖面形狀有Z形、2形、L形等，不同部位的長桁與結構件的連接有不同的要求，如果除與蒙皮連接外，還需要與其他零件連接，則需要按連接要求設置一定寬度、厚度的連接邊。

4 結論

機身是飛機的主要部件，也是飛機結構設計的重點，本文的研究充分利用成熟的理論及飛機設計經驗，給出典型機身桶體的結構布置方法以供參考。

【參考文獻】

[1]牛春勻，酈正能.實用飛機結構工程設計[M].航空工業出版社，2008.

[2]《飛機設計手冊》第10章[Z].

[責任編輯：朱麗娜]endprint