機身與垂尾連接加強框結構優化設計

張茜

摘要：機身與垂尾連接加強框是飛機結構設計的關鍵部位，合理的設計可提高結構效率、減輕結構重量。本文從受載情況、結構分析、強度分析、尺寸優化幾個方面介紹了機身與垂尾連接加強框的結構優化設計思路，具有一定的工程設計實用效益。

關鍵詞：機身與垂尾；加強框；結構；優化

1.結構形式設計

飛機機身與垂尾連接加強框，主要用來承受由垂尾前、中、后梁傳遞的集中載荷。機身與垂尾連接加強框頂部載荷最大，左右兩側載荷最小，底部載荷又變大，故將其設計為上部框和下部框兩部分，都采用整體機加結構。考慮到框頂部要與垂尾連接，長桁在此處必須斷開，故將環向載荷最小的長桁處做為分界，該長桁以上部分的框設計為全框形式；該長桁以下、舭桁以上部分的框設計為浮框形式，浮框外緣條上開有長桁通過孔，長桁在此處不分段；船底（舭桁以下）部分的框設計為浮框形式，框外緣條浮于長桁內緣條上并通過鋸齒帶板與蒙皮連接，長桁在此處不分段，船底框采用單面機加框。上部框和下部框通過連接件連接。

2.尺寸參數設計

機身與垂尾連接加強框的基本結構確定后，需根據外載荷確定各部分的尺寸參數。框由腹板、內緣條、外緣條、立筋四部分組成。設計各部分尺寸時，需將其結構簡化，內緣條和外緣條簡化成桿元、腹板簡化成殼元，立筋將腹板分為很多個單元格，以一個單元格作為一個計算單元，運用有限元方法進行計算。

腹板主要承受剪切載荷，首先根據腹板剪切穩定性計算公式初步調整蒙皮厚度參數，腹板的剪切安全裕度計算公式如下：

其中，τcr為腹板受剪切的臨界失穩應力；τ0為嚴重工況下，腹板在限制載荷作用下的工作應力。

由于框腹板承剪的同時也受壓，故還需校核腹板的壓剪聯合安全裕度。將腹板的壓剪載荷分解為框平面內沿腹板高度方向的Y向載荷，以及框平面內與腹板高度方向垂直的X向載荷。

X向壓剪聯合安全裕度：

式中： ； ；σx為X向最大壓應力；σx，cr為X向受壓屈曲臨界應力；τxy為最大剪應力；τs，cr為腹板受剪的屈曲臨界應力。

Y向壓剪聯合安全裕度：

式中： ；σy為Y向最大壓應力；σy，cr為Y向受壓屈曲臨界應力。

框內緣條主要承受拉壓載荷，首先要保證材料壓縮不發生屈服，再根據局部穩定性和側向穩定性來調整內緣條的厚度和寬度參數，當內緣條局部失穩臨界應力和側向失穩臨界應力大致相等時，才使得內緣條的結構最優、效率最高。這里需要注意的是，在計算內緣條側向穩定性時，如果框的腹板高度較高時，立筋不足以給內緣條提供側向支持時，要考慮將單元格放大，將接頭或者斜撐桿處做為單元分割部位。前面計算得到的內緣條參數需進一步校核使其滿足拉伸屈服安全要求。

全框部分的框外緣條主要承受壓縮載荷，此處要考慮外緣條與蒙皮的連接，要保證在壓縮載荷下，蒙皮和外緣條都不發生壓縮屈服，蒙皮和外緣條不發生釘間失穩。

浮框部分的框外緣條與內緣條計算方法相同，受壓時需考慮材料不發生壓縮屈服，并且符合局部穩定性和側向穩定性要求；受拉時需考慮滿足靜強度的要求。

框立筋的主要作用為劃分單元格，主要承受拉壓載荷，也是綜合要考慮受壓時的壓縮屈服強度、局部穩定性和側向穩定性以及受拉時的屈服強度來最終確定立筋的尺寸參數。

框內緣條、外緣條以及立筋的強度計算公式在此不再一一贅述，詳細可參考牛春勻所著的實用飛機結構應力分析及尺寸設計一書。

結論

通過本文所介紹設計思路設計出的機身與垂尾連接加強框結構可以提高結構效率，減輕結構重量，實現結構優化的目的。

參考文獻

[1]牛春勻（美）著. 馮振宇，程小全，張紀奎譯.實用飛機結構應力分析及尺寸設計[M].北京：航空工業出版社，2009.

[2]牛春勻（美）著. 程小全譯.實用飛機結構工程設計[M].北京：航空工業出版社，2008.

（作者單位：中航通飛研究院有限公司）