摘 要：本文以飞机机身结构为研究对象，进行机身结构设计。首先确定了机身的结构形式和结构布局，然后分析了各部件的受力特性和各部件间力的传递方式。通过各部件的受力特点和传力特点，完成了飞机的横向构件隔框和纵向构件长桁和梁的设计，并确定了构件的结构尺寸。最后利用CATIA三维模型软件完成了飞机机身零件的三维建模和各部件的装配。

关键词：机身；结构设计；CATIA

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.039

机身是飞机的重要部分，它主要安置空勤组人员、旅客，装载燃油、武器、设备和物品，并把机翼、尾翼、起落架及发动机连接在一起，形成一架完整的飞机。这些部件通过固定在机身上的接头，把作用在各部件上的载荷都传递到机身上，和机身上其他的载荷一起达到全机受力平衡，因此可以说机身是整架飞机的受力基础。现代飞机的机身结构是由纵向元件（沿机身纵轴方向）—长桁、梁和垂直于机身纵轴的横向元件—隔框以及蒙皮组成。

1 隔框设计

机身隔框是飞机横向骨架的主要构件，同时也是机身的维形件，用来维持和形成机身截面形状。本次一共设计了10段隔框。第一框的设计主要考虑发动机的推力对框的载荷。第二框在机舱位置，要考虑飞机挡风玻璃的形状大小和飞机舱门大形状大小和位置，还要考虑与操纵系统踏板的连接。第三框位于座舱位置，位于舱门正下方。第四框在机舱位置，四框前面为座舱后面为货仓，在座舱和货仓的连接处。第五框下部分与货仓地板后缘和底部的四根纵梁连接。第六框不受到集中力作用，其主要功用就是维持机身的截面形状，分散一部分长桁带来的剪流。第七框和第六框的设计基本相同，主要功能是维持机身截面形状，分散长桁由弯矩和扭矩产生的剪流，不受集中力作用。第八框位于平尾的位置，平尾前墙要在此处与框连接，除此之外该框还要维持机身的截面形状。第九框在平尾的位置，与平尾的后墙连接，并维持机身的截面形状。第十框是飞机机身的最后一个隔框，维持机身尾部的外形，同时机身的纵向长桁和垂尾后墙在此框连接。

2 梁的设计

飞机机身的梁是将飞机的各个隔框连接成一个整体，同时将力沿着机身的纵向将力传到飞机的框上。本次设计了3根梁，分别是上梁、中梁和下梁。飞机的上梁分为飞机机翼连接点间横梁和连接横梁的纵向梁。横梁设计成帽形梁，用于安放机翼和机身连接的接头，在帽形梁的底部做出和接头两耳片间宽度相同的凹槽用于机翼上耳片的通过。纵梁是连接横梁的纵向构件，设计成双缘条腹板结构，缘条传递横梁缘条的拉力，腹板来分散横梁腹板的剪流。

设计中梁的目的就是为了将发动机的推力传到后机身隔框，同时维持机身的截面形状。这根梁的位置在发动机上安装点的位置，将发动机传到框上的力通过这根梁传到第二框。考虑到梁和两个框的连接问题。将梁在两个框的连接位置各伸出一个耳片和两连接。在连接处耳片和梁的腹板干涉，将梁的腹板打下陷，采用铆接连接。

下梁维持机身底部的截面形状，将飞机纵梁设计成一个帽形梁，在飞机升降时，机身发生弯曲变形，这时靠梁来承受飞机弯曲时产生的轴力，并将其传到框上。

3 长桁的设计

机身的纵向长桁设计成Z形长桁，长桁的缘条传递机身弯曲产生的轴力，腹板传递剪流。第五框和第六框之间有四根长桁，飞机底部和顶部分别有两根，并且关于xy平面对称。顶部左边长桁腹板所在平面和xy平面夹角为12°，上、下缘条的宽度为20mm，腹板宽度20mm，厚度1mm。

4 蒙皮的设计

蒙皮的设计主要是蒙皮的分块和蒙皮的连接问题。本次的飞机机身结构选用半硬壳式机身，蒙皮形成机身的气动外形，蒙皮不同程度的受轴向外力和全部的剪力和扭矩。蒙皮的分块会影响飞机的气动性能，但蒙皮的分割又是不可避免的，所以就要尽量的减少蒙皮的分割。根据飞机的整体布局来看，一框和二框除飞机挡风玻璃外没有大开口，二框和四框之间为舱门的位置，所以一框和二框的基准将蒙皮分割。二框和四框间蒙皮用之前的平面分割为上下两部分。四框和五框间的蒙皮有货仓玻璃的开口，因此用此位置长桁腹板上15mm处的平面将蒙皮分为上下两部分。飞机顶部的按照飞机中央翼的外形设置一整块蒙皮。五框六框件蒙皮没有开口，因此按照前段蒙皮相同的分割面将蒙皮分为上下两部分。六框到十框的蒙皮按照相同的分割面分割，上部分为整块蒙皮，下部分用飞机对称面分割為左右两部分。蒙皮的连接采用对接，在框、梁和长桁的缘条上采用铆接连接。

5 小结

通过分析机身结构的承力系统、结构布局和传力路线，并基于 CATIA 设计了飞机机身结构，对飞机结构设计有着重要意义。

参考文献：

[1]李学志.CATIA V5实用教程[J].清华大学出版社，2004.

[2]李为吉.现代飞机总体综合设计[J].西北工业大学出版社，2001.

[3]王志谨.飞机结构设计[J].国防工业出版社，2002.

作者简介：霍雨佳（1994-），男，山西朔州人，硕士，研究方向：飞机设计与制造。