張　成

(中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 工程研發(fā)中心，沈陽 110079)

?

民用航空與安全工程

民機(jī)機(jī)身環(huán)向連接

張成

(中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 工程研發(fā)中心，沈陽 110079)

探討了多專業(yè)下的民機(jī)機(jī)身環(huán)向連接設(shè)計(jì)，分析了民機(jī)機(jī)身不同站位，以及同一站位不同桁位的載荷差異，提出在相似設(shè)計(jì)方案下綜合考慮載荷差異以減少機(jī)身對(duì)接零件數(shù)量。對(duì)比了典型的壁板對(duì)接方案，給出了不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。尺寸管理方法在機(jī)身環(huán)向連接上的應(yīng)用，可以改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，并使尺寸公差的給定同時(shí)滿足設(shè)計(jì)意圖和制造要求。合理設(shè)計(jì)墊片連接可以減小載荷傳遞偏心，改善疲勞特性，進(jìn)而提高使用壽命。在桶段試驗(yàn)和壁板試驗(yàn)中，規(guī)劃對(duì)接方案以便校驗(yàn)強(qiáng)度算法。

機(jī)身；對(duì)接；尺寸管理；墊片；試驗(yàn)

出于分包、改型、制造、運(yùn)輸?shù)确矫娴目紤]或限制，民機(jī)機(jī)身段通常要?jiǎng)澐殖啥鄠€(gè)部段，設(shè)計(jì)制造完成后再進(jìn)行環(huán)向?qū)友b配[1-2]。主制造商通常會(huì)在界面管理文件中對(duì)工作包劃分進(jìn)行定義，并通過技術(shù)文件要求結(jié)構(gòu)供應(yīng)商對(duì)環(huán)向?qū)硬捎孟嗤脑O(shè)計(jì)方案，同時(shí)運(yùn)用尺寸管理和數(shù)字裝配技術(shù)控制裝配質(zhì)量。

1　對(duì)接處涉及的結(jié)構(gòu)

機(jī)身段對(duì)接通常涉及到蒙皮、長(zhǎng)桁、框等結(jié)構(gòu)件[3-4]，如圖1所示。雖然地板結(jié)構(gòu)通常在框間對(duì)接，但在設(shè)計(jì)上屬于機(jī)身段對(duì)接，一般采取的都是常規(guī)設(shè)計(jì)。通常蒙皮采用帶板連接，長(zhǎng)桁采用長(zhǎng)桁連接件連接，對(duì)接處的框設(shè)計(jì)不同機(jī)型有不同設(shè)計(jì)[5]，有鈑金框和機(jī)加框的工藝不同，有全高度框和浮框的形式不同，但因框高不能突破艙內(nèi)空間的限制，所以對(duì)接處的框設(shè)計(jì)與其它普通站位不同。而帶板和長(zhǎng)桁連接件的組合、與蒙皮和長(zhǎng)桁組合類似，因此帶板厚度不能低于所連蒙皮厚度，長(zhǎng)桁連接件強(qiáng)度不能弱于所連長(zhǎng)桁[6]。

圖1　機(jī)身段對(duì)接處典型結(jié)構(gòu)

2　對(duì)接載荷差異

各主制造商對(duì)民機(jī)機(jī)身分段不盡相同，命名也不一致，但通常都將機(jī)身劃分為機(jī)頭、前機(jī)身、中機(jī)身、后機(jī)身、尾錐幾個(gè)部段。圖2所示為巡航狀態(tài)下分別處于前、后機(jī)身段的兩個(gè)站位受外載荷情況。載荷計(jì)算中彎曲分別為：M1=G1×D1及M2=G2×D2+F3×D3，剪切分別為：F1=G1及F2=G2，其中G1、G2為重力。由公式可知機(jī)身不同站位的載荷情況并不相同。

圖2　機(jī)身典型站位載荷

即便是同一站位，內(nèi)外壓差造成的結(jié)構(gòu)受載變形趨勢(shì)也有很大差異，如圖3所示。

由于機(jī)身段的不同站位受載不同，不同區(qū)域極限載荷工況不一致，導(dǎo)致機(jī)身各區(qū)域有著不同的強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[7-8]。處于不同站位的對(duì)接設(shè)計(jì)，雖然可以采用相同的方案，但由于受載差異較大，為了減輕重量，涉及到的零件應(yīng)采用不同設(shè)計(jì)。同一對(duì)接位置如果要追求滿足強(qiáng)度要求下的重量最低，各桁位連接件都會(huì)不同，而不同零件類型的增加，會(huì)導(dǎo)致加工、工裝、裝配等一系列工作，并最終反映在產(chǎn)品成本上。為了平衡重量和制造，需要做出折中處理。考慮到受載情況，可以使上、下蒙皮分別令2-3個(gè)桁位連接件相同，使左、右兩側(cè)蒙皮分別令2-4個(gè)桁位連接件相同。

圖3　機(jī)身典型剖面變形趨勢(shì)示意

3　不同的對(duì)接方案

3.1對(duì)接的設(shè)計(jì)目標(biāo)

對(duì)于高載荷或者高設(shè)計(jì)服役目標(biāo)的對(duì)接，對(duì)接帶板每側(cè)應(yīng)布置3排緊固件；對(duì)于載荷較小或者低設(shè)計(jì)服役目標(biāo)的對(duì)接，對(duì)接帶板每側(cè)應(yīng)布置2排緊固件，并相應(yīng)選擇全高度機(jī)加框或鈑金浮框。對(duì)于特定對(duì)接站位，機(jī)身上部由于機(jī)身彎曲產(chǎn)生高的拉伸載荷，是疲勞敏感部位，建議對(duì)接帶板每側(cè)布置3排緊固件，在長(zhǎng)桁位置形成指形[9-10]。其他部位的疲勞危險(xiǎn)性小些，建議對(duì)接帶板每側(cè)布置2排緊固件。在具體設(shè)計(jì)時(shí)可將對(duì)接帶板在上部設(shè)計(jì)成具有指狀延伸的形狀特點(diǎn)，如圖4所示。

圖4　機(jī)身上部對(duì)接帶板設(shè)計(jì)有指狀延伸

3.2典型對(duì)接方案

不同的對(duì)接方案有不同的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，要結(jié)合具體的設(shè)計(jì)要求加以選擇，表1給出了幾種方案的簡(jiǎn)單比較。具體對(duì)比分析時(shí)可以設(shè)定基準(zhǔn)方案，綜合多專業(yè)意見，采用權(quán)衡研究的方法對(duì)不同方案加以取舍。

表1　環(huán)向?qū)臃桨傅谋容^

目前對(duì)于一般對(duì)接設(shè)計(jì)，金屬機(jī)身傾向于方案2，復(fù)材機(jī)身傾向于方案1。

3.3長(zhǎng)桁連接件端頭處理

在疲勞敏感區(qū)如機(jī)身頂部區(qū)域，長(zhǎng)桁連接件的端頭處理要特別注意，連接件的腳部要進(jìn)行臺(tái)階化處理以均衡釘載，端頭可以進(jìn)行斜削以提高疲勞壽命，另外要注意對(duì)接處的連接件厚度應(yīng)大于帶板厚度。

4　尺寸管理

為了保證最終產(chǎn)品對(duì)稱性、安裝角等要求，以及保證機(jī)身的順利對(duì)接，應(yīng)使用尺寸管理技術(shù)[11-13]。為對(duì)接段機(jī)身分別建立基準(zhǔn)，并給出對(duì)接的尺寸要求，如圖5所示。具體要求一般包括蒙皮切割邊線輪廓度、蒙皮對(duì)縫尺寸、對(duì)接一側(cè)的帶板外形面的面輪廓度、蒙皮內(nèi)形面的面輪廓度、蒙皮和帶板的裝配間隙要求、密封要求等。

圖5　對(duì)接處尺寸要求

通過裝配過程的精度提取進(jìn)行尺寸鏈計(jì)算，對(duì)不滿足尺寸要求的情況需要改進(jìn)設(shè)計(jì)。例如發(fā)現(xiàn)座椅滑軌在框間對(duì)接的水平精度難以保證時(shí)，可以在臨近橫梁和座椅滑軌間留出設(shè)計(jì)間隙，并在交付狀態(tài)中規(guī)定此處在部裝時(shí)不用緊固件連接，而在對(duì)接裝配時(shí)再使用緊固件連接，以加大裝配調(diào)整余量。在長(zhǎng)桁連接件和帶板間也應(yīng)留出設(shè)計(jì)間隙以方便裝配?？湛驮谘b配過程中使用了對(duì)接引導(dǎo)夾子，方便對(duì)接時(shí)一側(cè)機(jī)身的帶板順利插入另一段機(jī)身。

5　裝配要求和墊片使用

除了要進(jìn)行尺寸管理，還可以在裝配過程中使用一些措施或墊片以保證裝配要求，并采用適當(dāng)?shù)难b配手段。當(dāng)兩機(jī)身段對(duì)接，將帶板和蒙皮機(jī)械連接時(shí)，應(yīng)合理安排緊固件安裝順序以便使裝配間隙沿機(jī)身周向均勻分布。當(dāng)長(zhǎng)桁連接件和長(zhǎng)桁腹板間產(chǎn)生間隙時(shí)，可以單獨(dú)使用或混合使用疊層墊片與實(shí)體墊片，使用實(shí)體墊片優(yōu)于疊層墊片。實(shí)體墊片達(dá)到一定厚度時(shí)，可以將實(shí)體墊片提前與長(zhǎng)桁用緊固件連接，使墊片參與傳載，以減小傳載偏心，如圖6所示。

圖6　墊片的使用

為了保證裝配精度的要求，通常還需要使用一些數(shù)字測(cè)量技術(shù)，目前一些先進(jìn)裝配廠商通常使用室內(nèi)GPS技術(shù)[14-15]。數(shù)字裝配技術(shù)需要與尺寸管理技術(shù)相配合，以保證整個(gè)制造過程始終處在可控制狀態(tài)下。

6　試驗(yàn)設(shè)計(jì)與規(guī)劃

為了滿足最終產(chǎn)品的對(duì)接設(shè)計(jì)要求，可以規(guī)劃壁板試驗(yàn)和機(jī)身段試驗(yàn)，進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造驗(yàn)證。在壁板耐久性和損傷容限試驗(yàn)中，可以進(jìn)行對(duì)接方案驗(yàn)證，還可以設(shè)計(jì)多種墊片方案，對(duì)強(qiáng)度算法驗(yàn)證，保證產(chǎn)品上使用墊片后的安全裕度。在機(jī)身段試驗(yàn)中加入環(huán)向?qū)釉O(shè)計(jì)中，可以驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)，還可以獲得制造方面的數(shù)據(jù)。

7　結(jié)論

在機(jī)身對(duì)接設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮載荷和其它設(shè)計(jì)目標(biāo)以優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體的對(duì)接方案取舍要綜合考慮多專業(yè)的要求，并進(jìn)行權(quán)衡研究，才能在多種對(duì)接方案中得出最終選擇。對(duì)給定的方案進(jìn)行尺寸管理方面的計(jì)算，并合理規(guī)劃相關(guān)的試驗(yàn)，可以更好地滿足制造要求和設(shè)計(jì)服役目標(biāo)。

[1]張寶柱，孫潔瓊.民用飛機(jī)后機(jī)身與尾段在球面框處對(duì)接研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2014(2)：16-19.

[2]姚雄華.基于“主-供”模式的我國民機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題分析及對(duì)策建議[J].航空制造技術(shù)，2010(3)：76-81.

[3]MICHAEL C.Y.Niu.Airframe structural design[M].Hong Kong :Conmilit Press LTD,1988.

[4]張今.民用飛機(jī)機(jī)身壁板環(huán)向?qū)咏Y(jié)構(gòu)疲勞分析[J].中國科技信息，2015(5):21-23.

[5]陳振興，曾小苗.大型民用飛機(jī)框與長(zhǎng)桁、蒙皮的連接結(jié)構(gòu)分析[J].大眾科技，2014,16(9)：166-167.

[6]靳承濱，張利琴，寇飛行.典型長(zhǎng)桁接頭疲勞特性試驗(yàn)研究及理論分析[C].北京：2013年中國航空學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度專業(yè)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2013：301-313.

[7]《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第9冊(cè)：載荷、強(qiáng)度和剛度[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[8]MICHAEL C.Y.NIU.Airframe stress analysis and sizing[M].Hong Kong :Conmilit Press LTD,1997.

[9]蔡玲.飛機(jī)蒙皮對(duì)接處結(jié)構(gòu)疲勞性能研究[J].中國科技信息，2014(19)：46-47.

[10]雷騰.民用飛機(jī)機(jī)身蒙皮對(duì)接結(jié)構(gòu)疲勞分析及試驗(yàn)[J].西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2012,30(5)：25-28.

[11]王姮，李光麗.大部件對(duì)接裝配容差分析[J].航空制造技術(shù)，2015(21)：65-67.

[12]牛福春，徐丹，張成.飛機(jī)裝配容差分析技術(shù)研究[J].沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,32(4):30-36.

[13]洪建勝，李迎光，宋文娟，等.基于裝配順序的飛機(jī)裝配容差信息建模 [J].圖學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34(1)：55-59.

[14]金慶勉，金加奇.飛機(jī)機(jī)身自動(dòng)對(duì)接技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù)，2014(19)：72-75.

[15]秦龍剛，陳允全，姚定.飛機(jī)裝配先進(jìn)定位技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2009(14)：59-61.

(責(zé)任編輯：劉劃英文審校：趙歡)

Fuselage circumferential joint of civil aircraft

ZHANG Cheng

(Engineering Research & Development Center,AVIC SAC Commercial Aircraft Company Ltd.,Shenyang 110079,China)

Fuselage circumferential joint of civil aircraft from multi-functional viewpoints were discussed,and load differences in different fuselage stations and different stringer locations with same fuselage station were analyzed.It was suggested that the load differences should be synthetically considered under similar design concept to reduce the number of the fuselage joint parts.Some typical panel joint concepts were compared and their advantages and disadvantages were also provided.The application of dimensional management tool for fuselage circumferential joint can improve design concept and make dimensional tolerance more accurate.The proper use of solid shim can reduce eccentric load transfer improve fatigue properties,and therefore increase service life.The joint concepts could be programmed in fuselage section test and panel joint test to verify intensity algorithm.

fuselage;circumferential joint;dimensional management;shim;test

2095-1248(2016)03-0093-04

2016-02-01

張成(1975-)，男，山東安丘人，副高級(jí)工程師，主要研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，E-mail:zhang.cheng@sacc.com.cn。

V223

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2016.03.016