下單翼飛機主起落架艙補強結構設計與分析

趙 莉 呂國成 牛福春 /

(中航沈飛民用飛機有限責任公司工程研發中心,沈陽 110013)

0 引言

民用客機起落架一般為常規的前三點式可收放式起落架，主起落架布置于機翼兩側靠近翼根的位置。起落架的布置與飛機重心相關，是保證飛機起飛著陸姿態、地面滑跑穩定性和機動性的重要結構。主起落架艙(以下簡稱主起艙)是在機身中下腹部開設的橫貫機身的大開口，用于飛機起飛后起落架的收納。主起艙給機身蒙皮形成較大開剖面，需要設計補強結構，加之與機身、外翼、中央翼盒的框梁等主要傳力結構相連，使該處的結構設計和方案選擇異常復雜。本文對傳力分析和強度有限元計算，探討不同形式的主起艙補強結構。

1 主起艙位置及功能

主起艙位于機身中下腹部，是機身蒙皮開口與客艙增壓地板下方形成的艙體。主起艙與翼身對接結構一同包絡在整流罩內部，整流罩設計開口安裝主起艙門。收放起落架的同時，艙門會自動打開和關閉，不影響整體氣動外形。主起艙開口的大小和形狀取決于主起落架輪胎的數量和布置，主起艙和翼身整流罩位置見圖1，主起艙門和主起艙開口見圖2。

圖1 主起艙位置

2 主起艙結構受力特點

主起艙位于翼身整流罩內部、客艙壓力地板的下方，屬于機身內部非增壓區[1]。由于緊挨外翼和中央翼盒，是翼身連接區一個較為重要的開口結構。主起艙是外翼與機身、尾翼實現載荷平衡的必經區域：外翼載荷通過中央翼盒和機身壁板傳遞到機身，與平尾負升力和機身慣性力平衡；機翼升力產生的彎矩由中央翼盒上下壁板承擔，在翼盒處達到平衡；主起艙在機身薄壁蒙皮形成開口，開口薄壁截面會產生扭轉，需通過截面周邊的剪流q來平衡，即機身蒙皮、翼盒梁腹板等結構來平衡。除此以外，外翼的偏轉和震顫[2]產生的疲勞，降落過程中起落架產生的沖擊，都使框、梁等主要承力結構承受較大集中力載荷。這些載荷通過機翼后梁以及主起艙補強結構向機身傳遞。主起艙周圍結構傳力及剪流分布如圖3所示。

圖3 主起艙周圍結構受力情況

為承擔外翼展向彎矩和弦向扭矩，機身在機翼前后梁對應位置布置了相對較強的機加梁框。由于機翼的后掠[3]效應，機翼后梁相比前梁分配到的載荷更高，翼根后緣形成較大應力集中區，因此機身后梁框受力較大。由于后梁框連接主起艙，使改開口承受更大的扭矩，因此開口處需要進行補強。機身和外翼前后梁框布置如圖4所示。

圖4 機翼前后梁布置

3 主起艙開口補強形式

一般結構開口均通過補強以獲得較高的許用應力，機身是薄壁筒狀結構，任何位置的開口都將承受彎曲、拉伸、壓縮及垂尾產生的機身扭矩，根據一般理論計算結果，有開口圓管的剪應力是無開口圓管剪應力的60倍；對于給定的扭矩，有開口圓管的扭轉角度是無開口圓管的1 200倍[3]。主起艙在機身的開口則承受了機身和機翼的雙重扭矩，因此勢必需要通過補強以降低扭矩帶來的風險。補強形式根據開口的功能、位置、形狀和大小決定，目前服役較好的幾種民用客機主起艙開口補強形式有兩種：一種是空客A320兩塊三角形組合式加筋板[4]，另外一種是波音787一塊梯型整體式加筋板。三角形組合式加筋板由三角形鋁合金薄板、加筋桁條、斜向梁組成；整體式梯形板則由梯形鋁合金厚板整體機加形成，分為橫、縱向筋條。三角形結構見圖5，梯形結構見圖6。

圖5 空客A320主起艙補強結構

圖6 波音787主起艙補強結構

3.1 三角形補強結構強度分析

三角形補強結構在空客飛機上應用最廣，后續開發的遠程大型客機A330在主起艙開口位置仍沿襲A320設計思想。三角形補強結構材料的厚度應與機身下部最厚處蒙皮厚度相當，如以下算例中三角板選用邊緣厚度4 mm的2024鋁合金，桁條采用7075-T73511型材，計算時可以簡化為三角形板桿結構。三角形結構本身是一個幾何不變系統，即在外力作用下可以保持其幾何形狀不發生變化，因此三角形薄板三邊剪流均為零，不傳遞剪流。橫向加筋簡化為桿元和梁元，承受軸向力，板桿之間只存在相互作用的剪流，剪流方向沿著板的周邊并與桿軸一致，可以保證后梁框上的力(FZ)向上傳遞到機身壁板。該方案的弊端是三角板最下端是一個剛性拐點，升力及沿斜框的力(Fcanted)均經過該點向上傳遞，產生嚴重應力集中。如表1所示，按翼根界面載荷輸入進行有限元[5]分析，三角形板桿簡化結構見圖7，有限元載荷節點分布見圖8。

表1 翼根界面載荷輸入

圖7 三角形加筋板補強結構

圖8 三角形加筋板有限元節點載荷

3.2 梯形補強板強度分析

波音787采用一塊梯形加強板結構，即只在后梁處安裝一個剛度較強的雙面機加梯形板。以下算例中梯形板材料采用6 mm厚度的7075鋁板，按表1載荷輸入進行有限元分析，可以看出集中應力也下降了一半以上，解決了根部應力集中問題。由于梯形板的強度、剛度，以及各種連接要求，使梯形板在設計加工上更多傾向于整體式結構，相對薄板與筋條的組合結構形式，梯形板在材料加工成本上會有所增加，但裝配簡單。梯形板補強結構簡圖見圖9，有限元分析結果見圖10。

圖9 梯形板補強結構

圖10 梯形板有限元節點載荷

3.3 兩種補強方案對比

通過分析可以看出，三角形和梯形補強結構都可以將部分外翼升力向機身傳遞，使外翼因扭矩產生的軸向力傳遞更平緩，減少機翼因扭矩產生的變形；對于機身，改善機身后梁框連接處的受力品質，降低后梁框載荷，有利于結構設計。三角形和梯形結構形式在傳力上有所差別，相比三角形，梯形的四邊結構對剪力的傳遞最為有效，可以將外翼升力以

分布剪力的形式傳至機身。在與中央翼盒后梁連接處，梯形板不存在三角形那種剛性拐點。通過上面有限元計算可以看出，梯形板各節點載荷均低于三角板。此外，梯形板下部空間結構可以與中央翼盒下翼面處于同一平面，下部軸壓載荷可通過梯形板傳遞到機身和龍骨梁，更加能夠降低周邊結構應力。

4 結論

對主起艙合理的補強設計，不僅能夠降低機身下部開口扭矩，而且可以參與機翼和機身載荷的傳遞，有效降低周邊結構應力。補強結構形式可以采用三角形結構也可以采用梯形結構，同時考慮配合翼身連接處后梁框的剛度和強度。可以設計簡單較弱的三角形補強結構，增強機身梁框強度的設計；也可以設計較強的梯形面板補強結構，降低機身梁框強度的設計。結合翼身結構布局，充分考慮載荷分配及傳力路線設計，同時根據飛機壽命評估最終成本的經濟性。