某輕型飛機機身結(jié)構(gòu)形式及組成元件

張斌

摘要：機身是飛機的一個重要部件，它主要安置空勤組人員、旅客，裝載燃油、武器、設(shè)備和物品，并把機翼、尾翼、起落架及發(fā)動機連接在一起，形成一架完整的飛機。這些部件通過固定在機身上的接頭，把作用在各部件上的載荷都傳遞到機身上，和機身上其他的載荷一起達到全機受力平衡，因此可以說機身是整架飛機的受力基礎(chǔ)。現(xiàn)代飛機的機身結(jié)構(gòu)主要有五種結(jié)構(gòu)形式：桁梁式、桁條式、半硬殼式、硬殼式、桁架式。現(xiàn)代飛機的機身結(jié)構(gòu)是由縱向元件（沿機身縱軸方向）——長桁、桁梁和垂直于機身縱軸的橫向元件——隔框以及蒙皮組成。

關(guān)鍵詞：機身;機身結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)形式;組成元件

1機身結(jié)構(gòu)的選定

1.1現(xiàn)代飛機典型的機身結(jié)構(gòu)形式

1.1.1桁梁式

桁梁式機身結(jié)構(gòu)特點是有幾根（如四根）桁梁，桁梁的截面面積很大。在這類機身結(jié)構(gòu)上長桁的數(shù)量較少而且較弱，甚至長桁可以不連續(xù)，蒙皮較薄。這種結(jié)構(gòu)的機身，由彎曲引起的軸向力主要由桁梁承受，蒙皮和長桁只承受很小部分的軸力。剪力則全部由蒙皮承受。從它的受力特點可以看出，在桁梁之間布置大開口不會顯著降低機身的抗彎強度和剛度。雖然因大開口會減小結(jié)構(gòu)的抗剪強度與剛度而必須補強，但相對桁條式和硬殼式來說，同樣的開口，桁梁式補強引起的重量增加較少[1]。

1.1.2桁條式

這種形式機身的特點是長桁較密、較強，蒙皮較厚。此時彎曲引起的軸向力將由許多桁條與較厚的蒙皮組成的壁板來承受;剪力仍全部由蒙皮承受。從其受力特點可以看出，蒙皮上不宜大開口但與桁梁式相比，它的彎扭剛度（尤其是扭轉(zhuǎn)剛度）比桁梁式大。由于蒙皮較厚，在空氣動力作用下，蒙皮的局部變形也小，有利于改善氣動性能。桁條式和桁梁式亦統(tǒng)稱為半硬殼式機身。現(xiàn)代飛機絕大部分采用半硬殼式結(jié)構(gòu)，而且由于桁條式的優(yōu)點，只要沒有很大的開口，多數(shù)采用桁條式結(jié)構(gòu)。

1.1.3半硬殼式機身

為了使機身結(jié)構(gòu)的剛度能滿足飛行速度日益增大的要求，需要使蒙皮參加整個結(jié)構(gòu)的受力。因此，目前的機身結(jié)構(gòu)，廣泛采用了金屬蒙皮，并且將蒙皮與隔框、大梁、桁條牢固地鉚接起來，成為一個受力的整體，通常稱為半硬殼式機身。在半硬殼式機身中，大梁和桁條用來承受彎矩引起的軸向力;蒙皮除了要不同程度地承受軸向力外，還要承受全部剪力和扭矩;隔框用來保持機身的外形和承受局部空氣動力，此外，還要承受各部件傳來的集中載荷，并將這些載荷分散地傳給蒙皮。

1.1.4硬殼式

硬殼式機身結(jié)構(gòu)是由蒙皮和少數(shù)隔框組成的。其特點就是沒有縱向構(gòu)件，蒙皮厚。由厚蒙皮承受機身總體彎、剪、扭引起的全部軸力和剪力。隔框用于維持機身截面形狀，支持蒙皮和承受、擴散框平面內(nèi)的集中應(yīng)力。這種型式的機身實際上用的很少，其根本原因是因為機身的相對載荷較小，而且機身不可避免要大開口，會使蒙皮材料的利用率不高，開口補強增重較大。所以只在機身結(jié)構(gòu)中某些氣動載荷較大、要求蒙皮局部剛度較大的部位，如頭部、機頭罩、尾錐等處有采用。具體結(jié)構(gòu)也有用夾層結(jié)構(gòu)或整體旋壓件等型式。

1.1.5桁架式

在早期的低速飛機上，機身的承力構(gòu)架都做成四緣條的立體桁架。為了減小飛機的阻力，在承力構(gòu)架外面，固定有整形用的隔框、桁條和布質(zhì)蒙皮 （或木制蒙皮），這些構(gòu)件只承受局部空氣動力，不參加整個結(jié)構(gòu)的受力。機身的剪力、彎矩和扭矩全部由桁架承受。其中彎矩引起的軸向力，由桁架的四根緣條承受;垂直方向的剪力由桁架兩側(cè)的支柱和斜支柱（或各對張線）承受;水平方向的剪力由上、下平面內(nèi)的支柱、斜支柱（或張線）承受;機身的扭矩，則由四個平面構(gòu)架組成的立體結(jié)構(gòu)承受。桁架式機身的抗扭剛度差，空氣動力性能不好，其內(nèi)部容積也不易得到充分利用。只有一些小型低速飛機機身采用桁架式機身。

1.2機身結(jié)構(gòu)的確定

桁梁式機身主要由桁梁來承受機身彎曲產(chǎn)生的軸力，長桁較少且較弱。桁條式機身彎曲產(chǎn)生的軸力主要由桁條和厚蒙皮組成的壁板承受。從其受力特點可以看出，蒙皮上不宜大開口但與桁梁式相比，它的彎扭剛度（尤其是扭轉(zhuǎn)剛度）比桁梁式大。由于蒙皮較厚，在空氣動力作用下，局部變形較小，改善氣動性能。半硬殼式機身主要由大梁和長桁來承受彎曲產(chǎn)生的軸力，蒙皮受不同程度的軸向外力和全部的剪力和扭矩。隔框維持機身截面形狀，將各部件傳來的集中載荷傳給蒙皮[2]。

2機身結(jié)構(gòu)的組成元件

2.1隔框

隔框分為普通框和加強框兩大類。普通框的作用是保持飛機外形，支持蒙皮，提高蒙皮的穩(wěn)定性，以利于承受局部空氣動力載荷，它所承受的載荷不大，一般采用板材分段彎制而成，其外緣形狀以機身截面相似，內(nèi)緣往往以機身內(nèi)部布置協(xié)調(diào)，這樣內(nèi)、外緣之間的距離是變化的，為了保證隔框的強度，內(nèi)、外緣隔框都有翻邊，另外，為了減輕重量，框的腹板上都有許多開孔。由于普通框的整體剛性較差，裝配時通常將普通框的一部分與行條和蒙皮組成壁板，然后在部件裝配和總裝配時形成整體的隔框。

加強隔框：它除了具有普通隔框保持氣動外形的作用之外，更主要的作用是承受框平面內(nèi)的集中載荷，并傳給機身蒙皮，所以它是一個在集中力和分布剪流作用下平衡的平面結(jié)構(gòu)，與普通框相比，它的尺寸和重量都比較大。加強框的結(jié)構(gòu)形式與機身外形、內(nèi)部裝載布置、集中力大小、性質(zhì)以及支持它的機身結(jié)構(gòu)的特點有密切關(guān)系。若加強框兼做增壓座艙的氣密端框，則增壓載荷也會影響框的結(jié)構(gòu)形式[3]。

2.2框的連接分析

飛機隔框的連接分為內(nèi)部和外部連接，隔框在外部與機身蒙皮、桁條等結(jié)構(gòu)相連接，在隔框內(nèi)部，隔框的各個部分之間通過T型角材連接，并且在框的一面有角片連接，以便能和不同類型的行條連接在一起[4]。

2.3框的受力分析

普通框用來維持機身的截面形狀。普通框還受到機身因彎曲變形引起的分布壓力，該壓力是自身平衡的力系。普通框還對蒙皮和長桁起支持作用。隔框的間距影響長桁的總體穩(wěn)定性。加強框除上述作用外，其主要功用是將裝載的質(zhì)量力和其他部件上的載荷徑接頭傳遞到機身結(jié)構(gòu)上的集中力加以擴散，然后以間流形式傳給蒙皮。

2.4長桁與桁梁

長桁作為機身結(jié)構(gòu)的縱向構(gòu)件，在桁條式機身中主要用以承受機身彎曲時產(chǎn)生的軸力。另外長桁對蒙皮起支持作用，他提高了蒙皮的受壓、受剪失穩(wěn)臨界應(yīng)力;其次它承受部分作用在蒙皮上的氣動力并傳給隔框，與機翼長桁相似。桁梁的作用于長桁相似，只是截面積比長桁大。

2.5蒙皮

機身蒙皮在結(jié)構(gòu)上的功用是構(gòu)成機身的氣動外形，保持表面光滑，所以它承受局部空氣動力。蒙皮在機身總體受載中起很重要的作用，它承受xoy，xoz兩個平面內(nèi)的剪流和繞X軸的扭矩;同時和長桁等一起組成壁板承受兩個彎矩一起的軸力，只是隨構(gòu)造形式的不同，機身承彎時它的作用大小不同[5]。

總結(jié)：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，由于輕型飛機具有輕便、安全、易于操作、價格低廉等特點，在國外被廣泛用于私人飛行、空中游覽、飛行訓(xùn)練、航空俱樂部、播種施肥、森林和漁業(yè)巡邏、滅火和探礦等。目前輕型飛機產(chǎn)業(yè)化在發(fā)達國家發(fā)展非常成熟，已成為推動工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展、方便人們出行和促進通用航空進步的重要力量。因此要加大國內(nèi)通用航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，和國外的企業(yè)競爭，為行業(yè)發(fā)展和國民經(jīng)濟建設(shè)做出貢獻。

參考文獻

[1]超輕型飛機適航標(biāo)準(zhǔn).航空器適航司，1997.4

[2]飛機設(shè)計手冊第10冊結(jié)構(gòu)設(shè)計.航空工業(yè)出版社，2001

[3]陶梅貞.現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計.西北工業(yè)大學(xué)出版社.，2001.2

[4]李為吉.現(xiàn)代飛機總體綜合設(shè)計.西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001

[5]李文正.飛機設(shè)計流程分析.航空工業(yè)出版社，2013