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民用飛機客艙地板橫梁結(jié)構(gòu)研究

0引言

客艙地板梁結(jié)構(gòu)是民用飛機機身結(jié)構(gòu)不可缺少的組成部分，一般由地板橫梁、縱梁(含座椅滑軌)、支柱和側(cè)向泄壓結(jié)構(gòu)組成[1]。其中地板橫梁承擔(dān)著旅客及座椅的載荷，需要分別與地板縱梁、支柱和機身框連接，是比較關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)。

相對于機身其它部分，地板梁結(jié)構(gòu)功能明確、受力清晰，周圍相關(guān)結(jié)構(gòu)較少，通常不會因其造成災(zāi)難性事故。但地板梁結(jié)構(gòu)尤其是地板橫梁結(jié)構(gòu)，零件截面形狀基本恒定、長度較長、數(shù)量較多，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式和材料，能夠節(jié)省工時、減輕重量、并顯著提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品穩(wěn)定性，最終降低成本。本文對多個典型機型的地板橫梁結(jié)構(gòu)進行分析和總結(jié)，旨在為國內(nèi)民用飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1受力分析

與機身其它結(jié)構(gòu)相比，地板梁結(jié)構(gòu)的受力相對簡單，主要承受客艙(包括座椅、旅客、小車等)垂直向下的載荷。由于增壓載荷的存在，在橫梁和框、支柱和框的連接處，機身框有向外膨脹的趨勢，橫梁和支柱受到拉伸，因此這兩處需要考慮疲勞問題，如圖1所示。支柱的存在能夠降低橫梁上的彎矩；地板縱梁(含座椅滑軌)不但起加強構(gòu)件的作用，并能使座椅承受9g的緊急著陸向前載荷[1]；側(cè)向泄壓結(jié)構(gòu)承受飛機墜撞時向前的過載。

圖1　地板梁結(jié)構(gòu)受力示意

地板橫梁主要載荷情況為：地板上方乘客和座椅的重力，腹板剪力以及兩側(cè)的彎矩。

2典型機型地板橫梁方案介紹

對現(xiàn)有成熟機型的地板橫梁結(jié)構(gòu)進行研究，能夠發(fā)現(xiàn)地板橫梁構(gòu)型的區(qū)別主要是截面形式和材料。截面形式主要可分為“C”型、“Z”型和“I”型，而結(jié)構(gòu)材料則有7000系和2000系傳統(tǒng)鋁合金、鋁鋰合金和復(fù)合材料等。對比單通道飛機和寬體飛機，地板橫梁與座椅滑軌和支柱的連接形式也有較大差異。

2.1單通道飛機

2.1.1A320飛機

A320飛機是空客公司最成功的單通道飛機，載客為150座級，壽命為48 000飛行起落。其地板橫梁采用7075-T6511材料的“C”型截面擠壓型材，兩端帶小凸緣，如圖2所示。橫梁高度為88.9mm。A320座椅滑軌直接坐到地板橫梁上，連接處橫梁背面設(shè)計角材，座椅滑軌下緣條與地板橫梁上緣條和角材通過四個緊固件進行連接?；壪虏课恢貌贾眉訌娂?；地板橫梁腹板面直接與機身框和支柱的腹板連接?！癈”型橫梁在滿足強度要求的前提下，與其它相關(guān)結(jié)構(gòu)連接簡單，結(jié)構(gòu)重量輕。

圖2　A320地板橫梁及其與座椅滑軌和支柱的連接

2.1.2波音737飛機

波音737飛機是波音公司銷量最好的單通道飛機，座級為150座，壽命為75 000飛行起落。其地板橫梁采用7075-T6511“工”型擠壓型材，高度為139.7mm，腹板上布置縱向加強件，以增加橫梁剛度，如圖3所示。

波音737地板橫梁與座椅滑軌之間的連接，如圖4所示。將座椅滑軌下緣條削掉，沉入到地板橫梁上部，滑軌頂端與橫梁上緣條連接，橫梁上布置角材。這樣的設(shè)計，可以提高橫梁高度，通過腹板開孔來滿足系統(tǒng)通過的需要，但會增加一部分重量。

圖3　波音737地板橫梁結(jié)構(gòu)

圖4　波音737地板橫梁與座椅滑軌的連接

波音737飛機采用無支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計，地板橫梁所承受的向下的正應(yīng)力，完全由地板橫梁和機身框的連接來承受。因此，對橫梁本身的剛度要求更高，采用“I”型截面能夠滿足這一要求。

2.1.3C系列飛機

龐巴迪C系列飛機是第一款大量采用鋁鋰合金的單通道飛機。其地板橫梁結(jié)構(gòu)同樣采用了“I”型截面，高度為93.98mm。早期地板橫梁采用鋁鋰合金2196-T8511擠壓型材，兩端與機身框連接，下緣條在與地板支柱連接處削掉。截面由“I”型到“J”型，到端頭連接處變?yōu)椤癈”型。如圖5所示。

圖5　C系列早期地板橫梁結(jié)構(gòu)及截面形狀

由于機身結(jié)構(gòu)需要考慮系統(tǒng)通路，而C系列機型較小，地板橫梁高度較低，采用的是座椅滑軌直接做到橫梁上進行連接的結(jié)構(gòu)形式。通常的橫梁腹板減輕孔兼做系統(tǒng)通路的方案無法滿足，因此地板橫梁采用變截面結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)管路布置在地板塊與橫梁之間，如圖6所示。變截面并局部加強的地板橫梁更改為7050-T7451厚板機加結(jié)構(gòu)。

由鋁鋰合金型材更改為7050鋁合金機加結(jié)構(gòu)，不僅增加了重量和加工工時，而且材料利用率低、耐腐蝕性降低。

圖6　C系列地板橫梁變截面結(jié)構(gòu)(含系統(tǒng)管路示意)

2.1.4Q400飛機

龐巴迪Q400渦槳支線飛機的地板橫梁截面為“Z”型，采用2024擠壓型材制成?？v梁(座椅滑軌)直接坐在橫梁上，一側(cè)緣條削掉，通過角片與地板橫梁連接。橫梁腹板一側(cè)與機身框直接連接，另一側(cè)直接與地板支柱連接，如圖7所示。這樣的設(shè)計能夠保證地板橫梁截面的完整性，但對座椅滑軌的強度有所削弱?！癈”型支柱與地板橫梁和框的連接都相對簡單。

圖7　Q400地板梁結(jié)構(gòu)

2.2大型寬體客機

2.2.1波音787飛機

波音787是世界上第一款全復(fù)合材料飛機，其地板梁結(jié)構(gòu)如圖8所示。橫梁同樣采用了“I”形截面，材料為CFRP，座椅滑軌采用鈦合金擠壓型材。其中橫梁與機身框之間通過鈦合金接頭采用機械連接，支柱與橫梁和機身框之間的連接均采用鉸接，這樣的連接方式對橫梁的截面沒有影響。

2.2.2空客A350

A350是繼波音787之后的全復(fù)材寬體大型客機。其地板橫梁也采用“I”型截面，變高度設(shè)計，材料為鋁鋰合金，采用機加工藝制造而成，座椅滑軌直接安裝到地板橫梁上緣條。如圖9所示。支柱與橫梁間采用鉸接，與機身框間采用固接。

圖8　波音787地板梁結(jié)構(gòu)

圖9　A350地板橫梁形式及其與座椅滑軌的連接

2.2.3空客A380

A380大型客機是目前世界上最大的客機，客艙分為上下雙層，其地板橫梁也采用“I”型截面，高250mm。不同的是，上層采用JAMCO公司的CFRP復(fù)合材料通過先進拉擠成形工藝(ADP)制造而成。為保證下層客艙空間，上層地板梁采用無支柱設(shè)計，在橫梁兩側(cè)與框連接區(qū)域進行局部加強(用復(fù)合材料二次膠接)，并用鉚釘與框進行連接，可以承受很大的載荷。

下層采用鋁鋰合金型材(2196和2099)[2]，座椅滑軌直接與地板橫梁進行連接。地板橫梁端頭加工成“C”型截面與機身框連接。如圖10所示。下部地板橫梁與支柱采用鉸接。

3主要方案的比較和總結(jié)

從前述介紹可以看出現(xiàn)有機型地板梁結(jié)構(gòu)方案既有區(qū)別，也有共同的地方，見表1。

圖10　A380地板梁結(jié)構(gòu)

機型座級地板橫梁橫梁與縱梁連接橫梁與支柱連接A320150“C”型擠壓型材,帶小凸緣,7075-T6511直接連接直接連接B737-800150“I”型擠壓型材,7075-T6511縱梁沉入橫梁無支柱CS100110“I”型厚板機加,7050-T7451直接連接削掉下緣條連接Q40078“Z”型擠壓型材,2024通過角片連接直接連接A350-800270“I”型擠壓型材,鋁鋰合金直接連接鉸接A380500“I”型,上層CFRP,下層鋁鋰合金直接連接上層無支柱,下層鉸接B787-8270“I”型,CFRP直接連接鉸接

綜合上述分析，對地板橫梁結(jié)構(gòu)總結(jié)如下：

(1)單通道客機包括支線飛機，采用“C”型截面橫梁，既能夠滿足強度要求，也能夠滿足連接要求，制造和裝配容易實現(xiàn)，節(jié)省成本。

(2)C系列地板橫梁采用了“I”型截面，在與支柱連接的位置削減為“J”型，與框連接處削減為“C”型，載荷大處截面變小，不是高效的設(shè)計。與“C”型和“J”型截面相比，不僅浪費了材料且增加了重量。采用滑軌和橫梁直接連接的方案，橫梁高度不能夠滿足腹板開孔供系統(tǒng)管路通過，只有局部降低橫梁高度使系統(tǒng)管路從橫梁上部通過；不僅降低了橫梁局部的承載能力，同時導(dǎo)致橫梁不得不采用機加整體結(jié)構(gòu)，相比擠壓型材浪費了大量材料，并增加了制造時間和成本。

(3)大型寬體飛機普遍采用“I”型截面橫梁，結(jié)構(gòu)剛度大，承載能力強。與機身框通過接頭連接，與支柱采用鉸接，都不會削弱橫梁截面，是比較合理的設(shè)計；采用擠壓型材相比厚板機加，不僅力學(xué)性能優(yōu)異，而且能夠節(jié)省制造工時，降低成本。

(4)對于“I”型截面橫梁，采用座椅滑軌沉入橫梁的連接方式，能夠降低橫梁和滑軌的整體高度，增加貨艙空間；也可以相應(yīng)增加橫梁高度，使減輕孔滿足系統(tǒng)通路要求，但對滑軌結(jié)構(gòu)本身強度造成一定削弱。

(5)地板橫梁結(jié)構(gòu)從普遍采用7000系列鋁合金到開始使用鋁鋰合金，不僅是材料工藝的進步，也為設(shè)計提供了更多可能。鋁鋰合金比強度高，可實現(xiàn)減重，其疲勞和耐腐蝕性也大大優(yōu)于普通鋁合金，用在位于腐蝕區(qū)域的地板梁結(jié)構(gòu)上，具有明顯的優(yōu)勢。

(6)隨著復(fù)合材料在民用飛機機體上的大量應(yīng)用，CFRP也開始應(yīng)用在地板梁結(jié)構(gòu)上。復(fù)合材料地板橫梁重量輕、耐腐性好，沒有疲勞問題，但耐沖擊性差，需要重點考慮飛機墜撞工況下的過載。A380和波音787都在這個方面具備了一定的經(jīng)驗，雖然采用的制造工藝不同，但也意味著復(fù)合材料成為地板橫梁材料的新選擇。

4結(jié)論

客艙地板梁結(jié)構(gòu)是民用飛機機身結(jié)構(gòu)的重要組成部分，熟悉其受力特點和典型機型的設(shè)計方案，能夠為其他機型的設(shè)計提供經(jīng)驗和設(shè)計思路，提高設(shè)計效率，實現(xiàn)減重和降低成本。需要注意的是，任何一個方案的最終確定，都需要進行多方面的衡量和分析比較，通過權(quán)衡研究選擇其中最適合的作為基本方案，并在設(shè)計過程中，根據(jù)實際情況不斷進行優(yōu)化，以獲得最佳設(shè)計。

參考文獻：

[1] 牛春勻.實用飛機結(jié)構(gòu)工程設(shè)計[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2008.

[2]陳亞莉.A350XWB的選材思路及特點[J]. 國際航空，2009(3)：69-72.

Research on Cabin Floor Crossbeam Structure for Commercial Aircraft

孫潔瓊 /

Sun Jieqiong

(中航沈飛民用飛機有限責(zé)任公司，沈陽 110000)

(AVIC SAC Commercial Aircraft Company Ltd.，Shenyang 110000，China)

摘要：

客艙地板梁結(jié)構(gòu)是民用飛機機身結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其中地板橫梁承擔(dān)著旅客及座椅的載荷，需要分別與地板縱梁、支柱和機身框連接，是比較關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)。對典型機型的地板橫梁結(jié)構(gòu)形式和材料進行了介紹，并分析優(yōu)缺點,最后對民用飛機地板橫梁結(jié)構(gòu)方案進行了總結(jié)。為民用飛機客艙地板梁概念設(shè)計提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：民用飛機；客艙地板梁結(jié)構(gòu)；地板橫梁；概念設(shè)計；材料

[Abstract]The cabin floor support structure is one of the important segments on commercial aircraft fuselage. The floor crossbeam takes the loads between passengers and seats, which has to be attached to seat track, post and fuselage frame. This paper introduces the typical crossbeam structure and used material, and analyzes the positive and negative properties. At last, the conclusion of the crossbeam structure concept was given. The research could provide a useful reference to civil aircraft structure design.

[Key words]commercial aircraft；cabin floor support structure；crossbeam；concept design；material

中圖分類號：V223

文獻標(biāo)識碼：A