孙健宇

（上海飞机设计研究院结构设计研究部，上海201210）

民用飞机机身中段的设计与分析

孙健宇

（上海飞机设计研究院结构设计研究部，上海201210）

机身中段是民用飞机机体结构最重要的大部段之一，其位于机身、机翼和主起落架三者交汇的核心位置。机身中段的设计直接影响全机结构的传力、重量、布置等。介绍了目前国外民用客机主力机型所采用的中机身结构设计方案，并对其进行相应的分析和比较。总结归纳出民用飞机中机身结构的一般结构形式和设计方法，用以指导我国大型民用客机的研制。目前国内某型号客机已采用所介绍的中机身结构形式，已得到初步验证。

机身中段；翼身对接；机身对接；龙骨梁

现代民用客机的机身结构按照工艺分离面［1］一般可分为机头、机身前端、机身中段、机身后段和机身尾段五部分。机身前端、机身后段属于“典型段机身”，两者有着相同的机身剖面，结构形式较为单一，即蒙皮-长桁和机身框组成的半硬壳［2］桶段式结构。而机身中段属于“特殊段机身”，其结构形式较为独特，也具备特殊的结构功能。

机身中段（以下简称中机身）位于整个飞机的“大十字交叉处”，机身、机翼和主起落架三者在此交汇和连接，下部还要连接翼身整流罩以满足机翼与机身结合处的气动外形要求。因此中机身结构复杂、与其它部段的连接协调界面众多，设计难度较大，如图1所示。

图1　机身中段示意图

从传力角度上说，中机身位于整个飞机的“载荷中枢”位置，全机的载荷（机身载荷、机翼载荷）都在此段汇集和平衡。因此该处是机身载荷最大、最复杂的区域，且疲劳现象严重。因此，如何实现一个完整、合理的传力通路以实现载荷的平衡与传递是在设计中机身结构时需要首先考虑的因素。

对于中机身结构，应该遵循从整体到局部，从概要设计到详细设计的原则，即先设计中机身的整体结构方案，再在其基础上进行分解，逐一确定各个子部件方案，继而完成整个设计过程。本文即是按照以上思路对民用飞机中机身一般结构布置形式和设计方案进行介绍，用以指导我国大型民用客机的研制。

1　中机身结构的基本布置形式

中机身最主要的特殊性在于：它不同于典型段机身的“全桶段”结构，而属于“半桶段”结构。其下部是中央机翼和主起落架舱而不是机身壁板，并且是非增压区，同时还需要布置一个很强的龙骨梁来承受全机的轴向载荷。典型的中机身结构如图2所示。

图2　中机身结构示意图

首先应确定中机身的基本结构布置形式。在目前民用飞机领域，不同制造商（若波音、空客、庞巴迪等）以及同一制造商的不同机型（短程、中程、远程），其中机身的具体结构方案可谓千差万别，但其基本结构布置形式却是基本一致的。通过参考各个主流飞机机型后，总结出如下中机身基本结构形式。

中机身结构主要包括上壁板、侧壁板、中央翼上框、主起舱上框、中央翼前梁框、中央翼后梁框、前后气密端框、主起舱气密板、地板梁和龙骨梁等十大模块。其中前端框、中央翼盒、主起舱气密板、后端框等4个模块组成了中机身段的气密界面［3］。该气密界面以上为机身增压区，此界面以下为非增压区。上壁板、侧壁板、框（中央翼和主起舱上框）组成了机身增压区的半硬壳式结构；前对接框和后对接框用于中机身和前、后机身的对接；中央翼前、后梁框是最重要的两个主承力框，其负责将机翼的升力传递至机身；地板梁是整个客舱商用载荷（座椅、乘客、行李）的支撑平台；龙骨梁用来承担整个机身弯矩引起的大轴向力。

确定基本结构形式后，就可以构建一个初步的中机身模型，然后对此进行受力分析、载荷计算继而进行详细设计。

2　中机身的传力分析

在初步建立中机身结构模型的基础上，可以先对其进行整体受力分析，再逐一分析各个重要模块的受载。

首先将中机身段作为一个整体考虑。如果把中机身从整个飞机隔离出来看，它与前机身、中后机身、外翼连接，也就是说明，中机身要承受这三个部段传递来的载荷。如图3所示。

图3　中机身整体受力示意图（航向）

在前端，其承受前机身传来的向下剪力P前机身和弯矩W前机身；在后端则承受后机身传来的向下剪力P后机身和弯矩W后机身；在翼盒前梁框和后梁框处承受外翼传来的剪力，包括前梁剪力P翼前梁和后梁剪力P翼后梁；在翼盒周圈承受外翼传来的扭矩T外翼。以上所有载荷在中机身平衡，可以得到以下方程。

P前机身+P后机身+P翼前梁=P翼后梁（力平衡）

P前机身×L+P翼前梁×L+W前机身+T外翼

=W后机身+P后机身×M（力矩平衡）

中机身在前后梁框处都承受较大的载荷。由以上方程及图3可知，后梁框所受的垂向载荷P翼后梁是唯一向上的载荷，它与其它三个向下的垂向载荷P前机身、P后机身、P翼前梁达到平衡，其载荷数值是三者之和，故后梁框承受的垂向载荷最大。

以上载荷是中机身作为独立部段所受的主要外部载荷。接下来需要分析这些外部载荷是如何传递到中机身内部的各个结构模块中，最后达到总体平衡，这样便于下一步对每个结构模块进行设计。具体的分析如下。

（1）如图4，前机身整体的向下剪力P前机身主要由前机身侧向蒙皮通过前对接框以剪流形式q1传递到中机身的侧向蒙皮；同理，后机身整体的向下剪力P后机身主要由后机身侧向蒙皮通过后对接框以剪流形式q2传递到中机身的侧向蒙皮。

图4　中机身主要模块的受载示意图

（2）外翼后梁传递来的向上垂向载荷P翼后梁通过后梁框以剪流形式q4传递到中机身后梁区域的侧壁板上；外翼前梁传递来的向下垂向载荷P翼前梁通过前梁框以剪流形式q3传递到中机身前梁区域的侧壁板上。

（3）前机身整体弯矩W前机身主要以前梁框区域的上下部轴向力F1来传递，其中上部轴向力传递给中机身上半部壁板，而下部轴向力则传递给龙骨梁前端。

（4）后机身整体弯矩W后机身也以后对接框区域上下部轴向力F3来传递，上部轴向力传递给中机身上半部壁板，下部轴向力则传递给龙骨梁后端。

（5）外翼扭矩T外翼的一部分需要通过中央翼盒上下缘条的水平剪力来平衡，翼盒上缘条的水平剪力最终传递给机身侧壁板，而翼盒下缘条的水平剪力通过翼盒下壁板最终传递给龙骨梁形成轴向力，即F2.以上三个轴向力最终在龙骨梁上平衡，即F1+F2=F3.

综上，在中机身基本结构中，所受载荷较大的模块有前梁框（前对接框）、后梁框、后端框（后对接框）、机身侧壁板和龙骨梁。

3　中机身的关键部件设计

龙骨梁是中机身乃至全机的“脊柱”，主要承受整个机身前后弯曲产生的巨大轴力，主要是压缩载荷，按稳定性设计。龙骨梁主要由上下壁板、左右侧壁板和中间肋组成。壁板传递大部分的轴力，中间肋增加受载稳定性［4］。壁板和肋都需要设置圆形开口，便于维护与可达，如图5所示。龙骨梁下壁板需要设计喇叭形端部与前后壁板连接，保证载荷均匀扩散。

图5　龙骨梁示意图

前梁框、后梁框和后端框是中机身最重要的三个框，也是最强的三个框。前后梁框分别连接在中央翼盒的前后梁平面上，如图6所示。由于所受静载荷、疲劳载荷都很严重，其零件设计一般采用模锻工艺。框下部与中央翼盒连接，框上部和侧部与机身壁板连接，便于将外翼的垂向载荷与扭矩传递给机身。

后端框的下半框是个完整的气密腹板，腹板上布置较强的纵横加强筋，用于承受气密载荷，如图6所示。后端框可以采用钣金组合式，也可以采用整体机加工艺。后端框和后对接框可以分为两个框，也可以是同一个框。

图6　中机身前后梁框与后端框

中机身的壁板一般分为三部分：上壁板、左右侧壁板和左右下侧壁板，如图2所示。壁板由蒙皮、长桁组成。长桁剖面一般为Z字型或帽形挤压型材，主要承受拉压轴向力。蒙皮采用化铣形式，在高应力区加厚，主要承受剪切力。蒙皮从上至下逐步加厚，因为下侧壁板区域靠经中央翼和前后梁框，需要传递较大的载荷。

4　结束语

中机身对于全机结构起到“承前启后，汇集载荷”的作用，对飞机的飞行安全和结构效率有重大的影响。由于所受载荷十分严重且复杂，中机身的结构设计应首先考虑其传递载荷与结构效率，其次考虑工艺性、维修性和经济性等技术要求。在参考了目前几种主流民用客机型号的基础上，本文总结和归纳了一般中机身结构的总体布置形式和结构方案，对国内民用客机的研制具有指导意义。

［1］范玉青.现代飞机制造技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2001：24-27.

［2］王昂，毛德华高占民，等.飞机设计手册第10册［M］.北京：航空工业出版社，2000：218-219.

［3］牛春匀.实用飞机结构工程设计［M］.北京：航空工业出版社，2008：83-85.

［4］牛春匀.实用飞机结构应力分析及尺寸设计［M］.北京：航空工业出版社，2009：197-198.

The Design and Analyse of the Center fuselage of the CivilAircraft

SUN Jian-yu
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute of Structural Design，Shanghai201210，China）

Themiddle part of the body is themost important part of the body structure of civil aircraft，duan zhiyi，which is located in the body，wings and main landing gear of the intersection of the core position of the three.The middle section of the design directly affects the structure of the wholemachine transmission，weight，layout，etc.. This paper introduces the structural design of the main body of the foreign civil aircraft，and the corresponding analysis and comparison.In order to guide the development of the large civil aircraft in our country，the general structure and design method of the fuselage structure of civil aircraft are summed up.At present，a domestic model of the aircraft has been introduced in the form of body structure，has been a preliminary validation.

center fuselage；wing-fuselage junction；fuselage-fuselage junction；keel beam

V222

A

1672-545X（2016）05-0079-03

2016-02-06

孙健宇（1980-），男，江苏南京人，硕士研究生，工程师，研究方向：飞行器设计。