半硬壳式金属机身桶体结构布置方法

2017-09-11李柯楠陆丹

科技视界 2017年12期

关键词：蒙皮开口机身

李柯楠　陆丹

【摘要】本文以典型半硬壳式金属机身桶体结构为研究对象，根据机身受载情况给出典型的机身桶体结构布置形式。

【关键词】半硬壳式；机身桶段结构布置

0 前言

机身是飞机的最主要承力结构之一。按飞机的总体布置，机身的剖面是一个有相当高度和宽度的两端收缩的桶体。广泛使用的民用飞机机身都是由一系列框支撑的加筋蒙皮壁板构成。研究机身的配置是一个涉及面广直接影响结构效率的十分重要的核心问题。

1 机身通体概述

在民用飞机设计中，针对机身的几何形状和受力特点，机身桶体配置的要素有三个方面，首先是蒙皮的厚度；其次是加筋件（长桁或梁）的数量、面积及分布；而后是支持框的刚度与框的分布间距。机身结构一般选择结构效率高的由薄壁蒙皮、加筋长桁、支承框构成的典型的半硬壳式结构形式，主要的受力构件蒙皮和长桁都尽可能布置在远离中心轴的外形边上，以获得最高度结构效率，如图1。

2 材料选择

材料选择主要考虑零件工作状态的应力形式，一般受拉区域的结构件选择抗疲劳性能好和裂纹扩展速率低的材料。

对于金属机身桶段设计，蒙皮通常采用2000系列的铝合金，现在也可以选择力学性能更好的铝锂合金，对增压舱蒙皮绝对不能选择7000系列的铝合金。长桁可根据受力的大小选择2000系列或者7000系列的铝合金。框在各个不同部位剖面应力状态不尽相同，有的部位为受拉区，有的部位为受压区，切面上有弯矩。可都选用2000系列铝合金，也可在主要为受压工作状态的下部选用7000系列铝合金。

3 机身桶体结构布置

3.1 蒙皮

机身蒙皮的厚度需要考虑承受轴向力、二个方向剪切力、二个方向的弯矩、扭矩及座舱压差载荷的作用下有足够的强度与适当的刚度，其工作应力应该小于元件允许的许用应力。飞机各部位受载情况不一致，在不同的位置的蒙皮应该配置不同的厚度才能获得较高的结构效率。因此，在设计中通常采取的方法是：

a）首先按照蒙皮的主要工作状态选择一个最小的蒙皮厚度，作为蒙皮厚度的基点；

b）而后再考虑各处不同的承载要求，分区进行必要的加厚。

民用飞机机身的大部分是增压舱，增压舱的蒙皮需要承受气密载荷，蒙皮面内应力有环向应力τyz和纵向应力σx，如2所示，其中环向应力为纵向应力的2倍，其大小分别为：

τyz=ΔpR/t，σx=ΔpR/2t

由于气密载荷是反复加载的疲劳载荷，因此在保证规定的使用寿命时，对于蒙皮的应力必须进行有效的控制。通常的做法是通过适当控制的1G状态的工作应力水平，以保证飞机有一定的工作寿命。

因此，对于增压舱，一般用一个规定的1ΔP工作状态的应力，以确定机身蒙皮的最小厚度，一般可以将1ΔP工作状态下的应力控制在70MPa～100MPa。使用环向应力σ=ΔPR/t来估算蒙皮化铣区最小厚度t，机身截面中不同半径的蒙皮区域需分开处理。具体设计时还需兼顾考虑与其它载荷组合的影响。

3.2 框

机身结构中的框对机身桶体起支撑作用。框的刚度与框间距离的选择也对蒙皮厚度的选择有一定的影响。一般的旅客机和运输机框的间距离在16～21英吋之间，缩小框间距离，增加框的密度，则可以明显降低此附加弯曲应力。

3.3 长桁

长桁作为壁板的加筋件，其主要功用是与蒙皮组合构成承力的加筋板，加筋板构成的整个桶体的承受截面的轴力、二个方向的剪力、二个方向弯矩和扭矩。长桁的功用是主要承受轴力和弯矩引起的轴向力。保持结构完整性的条件是其拉伸或压缩的工作应力应小于其材料的许用应力，元件的邻界失稳应力。长桁的布置既要考虑提供桶体的整体刚度，同时还应该考虑剖面因开口造成结构不连续引起的元件应力提高，往往需要布置相应加强构件，考虑在某些部位桶体承受及传递局部载荷的需要。因此在长桁数量及分布时推荐下列几个布置原则：

（1）按总体布置的要求，首先确定关键长桁的位置。按以下四个方面要求选择关键长桁：

a）考虑因机身开口需要的纵向加强件位置，对于民用飞机一般指：登机门开口，服务门开口，应急出入开口，货舱门开口，前起落架舱开口，设备舱舱门开口等。关键长桁位置点不应该简单地直接选择开口边缘，而应该结合加强构件的剖面特征，考虑与前后构件的有效方便的连续连接，慎重选取合适的点位面作为长桁节点。

b）剖面发生剧烈变化区域的加强件的位置。例如机翼机身对接区的纵向受力件布置要求，主起落架舱区的龙骨梁布置要求。

c）承受有集中载荷的地板梁位置。

d）承受机身内设备布置固定的载荷的要求。例如重量较大的组合设备支架的支撑点，客舱行李箱的支持架的支撑点等。

（2）長桁间距主要根据经验和稳定性确定。

（3）在确定关键长桁位置后，一般是在关键长桁形成的分段内均分。为提高承载效率，原则有以下2条：

a）是在受拉区节距可适当大一些，在受压区节距相对小一些，

b）机身半径小则节距可适当大一些，反之则可相对小一些。

（4）通常的长桁剖面形状有Z形、2形、L形等，不同部位的长桁与结构件的连接有不同的要求，如果除与蒙皮连接外，还需要与其他零件连接，则需要按连接要求设置一定宽度、厚度的连接边。

4 结论

机身是飞机的主要部件，也是飞机结构设计的重点，本文的研究充分利用成熟的理论及飞机设计经验，给出典型机身桶体的结构布置方法以供参考。