张斌

摘要：机身是飞机的一个重要部件，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主要有五种结构形式：桁梁式、桁条式、半硬壳式、硬壳式、桁架式。现代飞机的机身结构是由纵向元件（沿机身纵轴方向）——长桁、桁梁和垂直于机身纵轴的横向元件——隔框以及蒙皮组成。

关键词：机身;机身结构;结构形式;组成元件

1机身结构的选定

1.1现代飞机典型的机身结构形式

1.1.1桁梁式

桁梁式机身结构特点是有几根（如四根）桁梁，桁梁的截面面积很大。在这类机身结构上长桁的数量较少而且较弱，甚至长桁可以不连续，蒙皮较薄。这种结构的机身，由弯曲引起的轴向力主要由桁梁承受，蒙皮和长桁只承受很小部分的轴力。剪力则全部由蒙皮承受。从它的受力特点可以看出，在桁梁之间布置大开口不会显著降低机身的抗弯强度和刚度。虽然因大开口会减小结构的抗剪强度与刚度而必须补强，但相对桁条式和硬壳式来说，同样的开口，桁梁式补强引起的重量增加较少[1]。

1.1.2桁条式

这种形式机身的特点是长桁较密、较强，蒙皮较厚。此时弯曲引起的轴向力将由许多桁条与较厚的蒙皮组成的壁板来承受;剪力仍全部由蒙皮承受。从其受力特点可以看出，蒙皮上不宜大开口但与桁梁式相比，它的弯扭刚度（尤其是扭转刚度）比桁梁式大。由于蒙皮较厚，在空气动力作用下，蒙皮的局部变形也小，有利于改善气动性能。桁条式和桁梁式亦统称为半硬壳式机身。现代飞机绝大部分采用半硬壳式结构，而且由于桁条式的优点，只要没有很大的开口，多数采用桁条式结构。

1.1.3半硬壳式机身

为了使机身结构的刚度能满足飞行速度日益增大的要求，需要使蒙皮参加整个结构的受力。因此，目前的机身结构，广泛采用了金属蒙皮，并且将蒙皮与隔框、大梁、桁条牢固地铆接起来，成为一个受力的整体，通常称为半硬壳式机身。在半硬壳式机身中，大梁和桁条用来承受弯矩引起的轴向力;蒙皮除了要不同程度地承受轴向力外，还要承受全部剪力和扭矩;隔框用来保持机身的外形和承受局部空气动力，此外，还要承受各部件传来的集中载荷，并将这些载荷分散地传给蒙皮。

1.1.4硬壳式

硬壳式机身结构是由蒙皮和少数隔框组成的。其特点就是没有纵向构件，蒙皮厚。由厚蒙皮承受机身总体弯、剪、扭引起的全部轴力和剪力。隔框用于维持机身截面形状，支持蒙皮和承受、扩散框平面内的集中应力。这种型式的机身实际上用的很少，其根本原因是因为机身的相对载荷较小，而且机身不可避免要大开口，会使蒙皮材料的利用率不高，开口补强增重较大。所以只在机身结构中某些气动载荷较大、要求蒙皮局部刚度较大的部位，如头部、机头罩、尾锥等处有采用。具体结构也有用夹层结构或整体旋压件等型式。

1.1.5桁架式

在早期的低速飞机上，机身的承力构架都做成四缘条的立体桁架。为了减小飞机的阻力，在承力构架外面，固定有整形用的隔框、桁条和布质蒙皮 （或木制蒙皮），这些构件只承受局部空气动力，不参加整个结构的受力。机身的剪力、弯矩和扭矩全部由桁架承受。其中弯矩引起的轴向力，由桁架的四根缘条承受;垂直方向的剪力由桁架两侧的支柱和斜支柱（或各对张线）承受;水平方向的剪力由上、下平面内的支柱、斜支柱（或张线）承受;机身的扭矩，则由四个平面构架组成的立体结构承受。桁架式机身的抗扭刚度差，空气动力性能不好，其内部容积也不易得到充分利用。只有一些小型低速飞机机身采用桁架式机身。

1.2机身结构的确定

桁梁式机身主要由桁梁来承受机身弯曲产生的轴力，长桁较少且较弱。桁条式机身弯曲产生的轴力主要由桁条和厚蒙皮组成的壁板承受。从其受力特点可以看出，蒙皮上不宜大开口但与桁梁式相比，它的弯扭刚度（尤其是扭转刚度）比桁梁式大。由于蒙皮较厚，在空气动力作用下，局部变形较小，改善气动性能。半硬壳式机身主要由大梁和长桁来承受弯曲产生的轴力，蒙皮受不同程度的轴向外力和全部的剪力和扭矩。隔框维持机身截面形状，将各部件传来的集中载荷传给蒙皮[2]。

2机身结构的组成元件

2.1隔框

隔框分为普通框和加强框两大类。普通框的作用是保持飞机外形，支持蒙皮，提高蒙皮的稳定性，以利于承受局部空气动力載荷，它所承受的载荷不大，一般采用板材分段弯制而成，其外缘形状以机身截面相似，内缘往往以机身内部布置协调，这样内、外缘之间的距离是变化的，为了保证隔框的强度，内、外缘隔框都有翻边，另外，为了减轻重量，框的腹板上都有许多开孔。由于普通框的整体刚性较差，装配时通常将普通框的一部分与行条和蒙皮组成壁板，然后在部件装配和总装配时形成整体的隔框。

加强隔框：它除了具有普通隔框保持气动外形的作用之外，更主要的作用是承受框平面内的集中载荷，并传给机身蒙皮，所以它是一个在集中力和分布剪流作用下平衡的平面结构，与普通框相比，它的尺寸和重量都比较大。加强框的结构形式与机身外形、内部装载布置、集中力大小、性质以及支持它的机身结构的特点有密切关系。若加强框兼做增压座舱的气密端框，则增压载荷也会影响框的结构形式[3]。

2.2框的连接分析

飞机隔框的连接分为内部和外部连接，隔框在外部与机身蒙皮、桁条等结构相连接，在隔框内部，隔框的各个部分之间通过T型角材连接，并且在框的一面有角片连接，以便能和不同类型的行条连接在一起[4]。

2.3框的受力分析

普通框用来维持机身的截面形状。普通框还受到机身因弯曲变形引起的分布压力，该压力是自身平衡的力系。普通框还对蒙皮和长桁起支持作用。隔框的间距影响长桁的总体稳定性。加强框除上述作用外，其主要功用是将装载的质量力和其他部件上的载荷径接头传递到机身结构上的集中力加以扩散，然后以间流形式传给蒙皮。

2.4长桁与桁梁

长桁作为机身结构的纵向构件，在桁条式机身中主要用以承受机身弯曲时产生的轴力。另外长桁对蒙皮起支持作用，他提高了蒙皮的受压、受剪失稳临界应力;其次它承受部分作用在蒙皮上的气动力并传给隔框，与机翼长桁相似。桁梁的作用于长桁相似，只是截面积比长桁大。

2.5蒙皮

机身蒙皮在结构上的功用是构成机身的气动外形，保持表面光滑，所以它承受局部空气动力。蒙皮在机身总体受载中起很重要的作用，它承受xoy，xoz两个平面内的剪流和绕X轴的扭矩;同时和长桁等一起组成壁板承受两个弯矩一起的轴力，只是随构造形式的不同，机身承弯时它的作用大小不同[5]。

总结：随着科学技术的不断发展，由于轻型飞机具有轻便、安全、易于操作、价格低廉等特点，在国外被广泛用于私人飞行、空中游览、飞行训练、航空俱乐部、播种施肥、森林和渔业巡逻、灭火和探矿等。目前轻型飞机产业化在发达国家发展非常成熟，已成为推动工业经济发展、方便人们出行和促进通用航空进步的重要力量。因此要加大国内通用航空产业的发展，和国外的企业竞争，为行业发展和国民经济建设做出贡献。

参考文献

[1]超轻型飞机适航标准.航空器适航司，1997.4

[2]飞机设计手册第10册结构设计.航空工业出版社，2001

[3]陶梅贞.现代飞机结构综合设计.西北工业大学出版社.，2001.2

[4]李为吉.现代飞机总体综合设计.西北工业大学出版社，2001

[5]李文正.飞机设计流程分析.航空工业出版社，2013