孫健宇

（上海飛機設(shè)計研究院結(jié)構(gòu)設(shè)計研究部，上海201210）

民用飛機機身中段的設(shè)計與分析

孫健宇

（上海飛機設(shè)計研究院結(jié)構(gòu)設(shè)計研究部，上海201210）

機身中段是民用飛機機體結(jié)構(gòu)最重要的大部段之一，其位于機身、機翼和主起落架三者交匯的核心位置。機身中段的設(shè)計直接影響全機結(jié)構(gòu)的傳力、重量、布置等。介紹了目前國外民用客機主力機型所采用的中機身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并對其進行相應(yīng)的分析和比較?？偨Y(jié)歸納出民用飛機中機身結(jié)構(gòu)的一般結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計方法，用以指導(dǎo)我國大型民用客機的研制。目前國內(nèi)某型號客機已采用所介紹的中機身結(jié)構(gòu)形式，已得到初步驗證。

機身中段；翼身對接；機身對接；龍骨梁

現(xiàn)代民用客機的機身結(jié)構(gòu)按照工藝分離面［1］一般可分為機頭、機身前端、機身中段、機身后段和機身尾段五部分。機身前端、機身后段屬于“典型段機身”，兩者有著相同的機身剖面，結(jié)構(gòu)形式較為單一，即蒙皮-長桁和機身框組成的半硬殼［2］桶段式結(jié)構(gòu)。而機身中段屬于“特殊段機身”，其結(jié)構(gòu)形式較為獨特，也具備特殊的結(jié)構(gòu)功能。

機身中段（以下簡稱中機身）位于整個飛機的“大十字交叉處”，機身、機翼和主起落架三者在此交匯和連接，下部還要連接翼身整流罩以滿足機翼與機身結(jié)合處的氣動外形要求。因此中機身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、與其它部段的連接協(xié)調(diào)界面眾多，設(shè)計難度較大，如圖1所示。

圖1　機身中段示意圖

從傳力角度上說，中機身位于整個飛機的“載荷中樞”位置，全機的載荷（機身載荷、機翼載荷）都在此段匯集和平衡。因此該處是機身載荷最大、最復(fù)雜的區(qū)域，且疲勞現(xiàn)象嚴重。因此，如何實現(xiàn)一個完整、合理的傳力通路以實現(xiàn)載荷的平衡與傳遞是在設(shè)計中機身結(jié)構(gòu)時需要首先考慮的因素。

對于中機身結(jié)構(gòu)，應(yīng)該遵循從整體到局部，從概要設(shè)計到詳細設(shè)計的原則，即先設(shè)計中機身的整體結(jié)構(gòu)方案，再在其基礎(chǔ)上進行分解，逐一確定各個子部件方案，繼而完成整個設(shè)計過程。本文即是按照以上思路對民用飛機中機身一般結(jié)構(gòu)布置形式和設(shè)計方案進行介紹，用以指導(dǎo)我國大型民用客機的研制。

1　中機身結(jié)構(gòu)的基本布置形式

中機身最主要的特殊性在于：它不同于典型段機身的“全桶段”結(jié)構(gòu)，而屬于“半桶段”結(jié)構(gòu)。其下部是中央機翼和主起落架艙而不是機身壁板，并且是非增壓區(qū)，同時還需要布置一個很強的龍骨梁來承受全機的軸向載荷。典型的中機身結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　中機身結(jié)構(gòu)示意圖

首先應(yīng)確定中機身的基本結(jié)構(gòu)布置形式。在目前民用飛機領(lǐng)域，不同制造商（若波音、空客、龐巴迪等）以及同一制造商的不同機型（短程、中程、遠程），其中機身的具體結(jié)構(gòu)方案可謂千差萬別，但其基本結(jié)構(gòu)布置形式卻是基本一致的。通過參考各個主流飛機機型后，總結(jié)出如下中機身基本結(jié)構(gòu)形式。

中機身結(jié)構(gòu)主要包括上壁板、側(cè)壁板、中央翼上框、主起艙上框、中央翼前梁框、中央翼后梁框、前后氣密端框、主起艙氣密板、地板梁和龍骨梁等十大模塊。其中前端框、中央翼盒、主起艙氣密板、后端框等4個模塊組成了中機身段的氣密界面［3］。該氣密界面以上為機身增壓區(qū)，此界面以下為非增壓區(qū)。上壁板、側(cè)壁板、框（中央翼和主起艙上框）組成了機身增壓區(qū)的半硬殼式結(jié)構(gòu)；前對接框和后對接框用于中機身和前、后機身的對接；中央翼前、后梁框是最重要的兩個主承力框，其負責(zé)將機翼的升力傳遞至機身；地板梁是整個客艙商用載荷（座椅、乘客、行李）的支撐平臺；龍骨梁用來承擔(dān)整個機身彎矩引起的大軸向力。

確定基本結(jié)構(gòu)形式后，就可以構(gòu)建一個初步的中機身模型，然后對此進行受力分析、載荷計算繼而進行詳細設(shè)計。

2　中機身的傳力分析

在初步建立中機身結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，可以先對其進行整體受力分析，再逐一分析各個重要模塊的受載。

首先將中機身段作為一個整體考慮。如果把中機身從整個飛機隔離出來看，它與前機身、中后機身、外翼連接，也就是說明，中機身要承受這三個部段傳遞來的載荷。如圖3所示。

圖3　中機身整體受力示意圖（航向）

在前端，其承受前機身傳來的向下剪力P前機身和彎矩W前機身；在后端則承受后機身傳來的向下剪力P后機身和彎矩W后機身；在翼盒前梁框和后梁框處承受外翼傳來的剪力，包括前梁剪力P翼前梁和后梁剪力P翼后梁；在翼盒周圈承受外翼傳來的扭矩T外翼。以上所有載荷在中機身平衡，可以得到以下方程。

P前機身+P后機身+P翼前梁=P翼后梁（力平衡）

P前機身×L+P翼前梁×L+W前機身+T外翼

=W后機身+P后機身×M（力矩平衡）

中機身在前后梁框處都承受較大的載荷。由以上方程及圖3可知，后梁框所受的垂向載荷P翼后梁是唯一向上的載荷，它與其它三個向下的垂向載荷P前機身、P后機身、P翼前梁達到平衡，其載荷數(shù)值是三者之和，故后梁框承受的垂向載荷最大。

以上載荷是中機身作為獨立部段所受的主要外部載荷。接下來需要分析這些外部載荷是如何傳遞到中機身內(nèi)部的各個結(jié)構(gòu)模塊中，最后達到總體平衡，這樣便于下一步對每個結(jié)構(gòu)模塊進行設(shè)計。具體的分析如下。

（1）如圖4，前機身整體的向下剪力P前機身主要由前機身側(cè)向蒙皮通過前對接框以剪流形式q1傳遞到中機身的側(cè)向蒙皮；同理，后機身整體的向下剪力P后機身主要由后機身側(cè)向蒙皮通過后對接框以剪流形式q2傳遞到中機身的側(cè)向蒙皮。

圖4　中機身主要模塊的受載示意圖

（2）外翼后梁傳遞來的向上垂向載荷P翼后梁通過后梁框以剪流形式q4傳遞到中機身后梁區(qū)域的側(cè)壁板上；外翼前梁傳遞來的向下垂向載荷P翼前梁通過前梁框以剪流形式q3傳遞到中機身前梁區(qū)域的側(cè)壁板上。

（3）前機身整體彎矩W前機身主要以前梁框區(qū)域的上下部軸向力F1來傳遞，其中上部軸向力傳遞給中機身上半部壁板，而下部軸向力則傳遞給龍骨梁前端。

（4）后機身整體彎矩W后機身也以后對接框區(qū)域上下部軸向力F3來傳遞，上部軸向力傳遞給中機身上半部壁板，下部軸向力則傳遞給龍骨梁后端。

（5）外翼扭矩T外翼的一部分需要通過中央翼盒上下緣條的水平剪力來平衡，翼盒上緣條的水平剪力最終傳遞給機身側(cè)壁板，而翼盒下緣條的水平剪力通過翼盒下壁板最終傳遞給龍骨梁形成軸向力，即F2.以上三個軸向力最終在龍骨梁上平衡，即F1+F2=F3.

綜上，在中機身基本結(jié)構(gòu)中，所受載荷較大的模塊有前梁框（前對接框）、后梁框、后端框（后對接框）、機身側(cè)壁板和龍骨梁。

3　中機身的關(guān)鍵部件設(shè)計

龍骨梁是中機身乃至全機的“脊柱”，主要承受整個機身前后彎曲產(chǎn)生的巨大軸力，主要是壓縮載荷，按穩(wěn)定性設(shè)計。龍骨梁主要由上下壁板、左右側(cè)壁板和中間肋組成。壁板傳遞大部分的軸力，中間肋增加受載穩(wěn)定性［4］。壁板和肋都需要設(shè)置圓形開口，便于維護與可達，如圖5所示。龍骨梁下壁板需要設(shè)計喇叭形端部與前后壁板連接，保證載荷均勻擴散。

圖5　龍骨梁示意圖

前梁框、后梁框和后端框是中機身最重要的三個框，也是最強的三個框。前后梁框分別連接在中央翼盒的前后梁平面上，如圖6所示。由于所受靜載荷、疲勞載荷都很嚴重，其零件設(shè)計一般采用模鍛工藝?？蛳虏颗c中央翼盒連接，框上部和側(cè)部與機身壁板連接，便于將外翼的垂向載荷與扭矩傳遞給機身。

后端框的下半框是個完整的氣密腹板，腹板上布置較強的縱橫加強筋，用于承受氣密載荷，如圖6所示。后端框可以采用鈑金組合式，也可以采用整體機加工藝。后端框和后對接框可以分為兩個框，也可以是同一個框。

圖6　中機身前后梁框與后端框

中機身的壁板一般分為三部分：上壁板、左右側(cè)壁板和左右下側(cè)壁板，如圖2所示。壁板由蒙皮、長桁組成。長桁剖面一般為Z字型或帽形擠壓型材，主要承受拉壓軸向力。蒙皮采用化銑形式，在高應(yīng)力區(qū)加厚，主要承受剪切力。蒙皮從上至下逐步加厚，因為下側(cè)壁板區(qū)域靠經(jīng)中央翼和前后梁框，需要傳遞較大的載荷。

4　結(jié)束語

中機身對于全機結(jié)構(gòu)起到“承前啟后，匯集載荷”的作用，對飛機的飛行安全和結(jié)構(gòu)效率有重大的影響。由于所受載荷十分嚴重且復(fù)雜，中機身的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)首先考慮其傳遞載荷與結(jié)構(gòu)效率，其次考慮工藝性、維修性和經(jīng)濟性等技術(shù)要求。在參考了目前幾種主流民用客機型號的基礎(chǔ)上，本文總結(jié)和歸納了一般中機身結(jié)構(gòu)的總體布置形式和結(jié)構(gòu)方案，對國內(nèi)民用客機的研制具有指導(dǎo)意義。

［1］范玉青.現(xiàn)代飛機制造技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001：24-27.

［2］王昂，毛德華高占民，等.飛機設(shè)計手冊第10冊［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2000：218-219.

［3］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，2008：83-85.

［4］牛春勻.實用飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及尺寸設(shè)計［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2009：197-198.

The Design and Analyse of the Center fuselage of the CivilAircraft

SUN Jian-yu
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute of Structural Design，Shanghai201210，China）

Themiddle part of the body is themost important part of the body structure of civil aircraft，duan zhiyi，which is located in the body，wings and main landing gear of the intersection of the core position of the three.The middle section of the design directly affects the structure of the wholemachine transmission，weight，layout，etc.. This paper introduces the structural design of the main body of the foreign civil aircraft，and the corresponding analysis and comparison.In order to guide the development of the large civil aircraft in our country，the general structure and design method of the fuselage structure of civil aircraft are summed up.At present，a domestic model of the aircraft has been introduced in the form of body structure，has been a preliminary validation.

center fuselage；wing-fuselage junction；fuselage-fuselage junction；keel beam

V222

A

1672-545X（2016）05-0079-03

2016-02-06

孫健宇（1980-），男，江蘇南京人，碩士研究生，工程師，研究方向：飛行器設(shè)計。