陳勇哲

摘 要：文章概述了民用飛機艙門開口對機身總體受力系統(tǒng)的影響及如何對開口補強設(shè)計，以及對關(guān)鍵重要件的選材和制造方法的選用。

關(guān)鍵詞：半硬殼式結(jié)構(gòu)；“堵塞式”艙門設(shè)計；分析

引言

現(xiàn)代飛機的機身是一種加強的殼體，這種殼體通常稱為“半硬殼式結(jié)構(gòu)”。其由縱向元件（如桁梁與長桁）、橫向元件（如普通隔框可加強隔框）以及外蒙皮構(gòu)成。桁梁承受機身大部分彎矩以及彎矩所引起的軸向力，機身蒙皮承受橫向外載荷與扭矩引起的剪切力以及座艙增壓載荷。

但是民用飛機必須有旅客出入的門，以及搬運食品的服務(wù)門，和危急情況旅客能迅速離開飛機的應(yīng)急艙門。這些艙門開口部位通常都位于結(jié)構(gòu)高載荷區(qū)域，開口切斷了半硬殼式機身的總體傳力構(gòu)件，導(dǎo)致開口部位出現(xiàn)嚴重的應(yīng)力集中。由于現(xiàn)代民用飛機適航條例要求，在各種情況下用于旅客進出的所有艙門要能夠迅速打開，同時保證飛機增壓艙的安全，所以飛機艙門多采用從里向外關(guān)閉的“堵塞式”設(shè)計。這種關(guān)閉方式設(shè)計的艙門只承受艙壓引起的環(huán)向張力，而機身上的大部分拉伸和剪切載荷仍要由艙門周圍結(jié)構(gòu)承擔。

本文從分析飛機機身開口對機身載荷傳遞的影響，提出如何在開口周圍布置額外的加強結(jié)構(gòu)來承受這些載荷。

1 機身開口對總體受力系統(tǒng)影響分析

根據(jù)機身總體受力系統(tǒng)的傳力狀態(tài)及艙門的關(guān)閉方式來分析開口處重新分布的載荷。先分別考慮每一種情況，然后再把各種情況結(jié)合起來考慮，以便擬定每一構(gòu)件最危險的設(shè)計情況。

情況Ⅰ機身蒙皮剪力-考慮各種飛行條件；

情況Ⅱ截斷長桁載荷-考慮各種飛行條件；

（1）情況Ⅰ機身蒙皮剪力-考慮各種飛行條件

a.無開口時蒙皮剪流分布狀態(tài)；

b.在開口處施加一大小相等方向相反的剪流，并將剪流增量（帶△的剪流）分配給周圍各板；

（2）情況Ⅱ截斷長桁載荷-考慮各種飛行條件

這里考慮的是由開口前、后兩邊的斷長桁所引起的蒙皮上的附加剪流。

假設(shè)四個角無約束，斷長桁的載荷沿開口兩側(cè)向口框梁（上述情況Ⅰ設(shè)定）擴散。

2 開口加強結(jié)構(gòu)方案的確定

2.1 人員出入的艙門開口加強結(jié)構(gòu)設(shè)計

堵塞式登機門、服務(wù)門及應(yīng)急艙門開口通常長寬比大約是l/h<0.6。艙門為側(cè)開式。開口切斷了機身的總體傳力系統(tǒng)，要滿足適航關(guān)于這種艙門要能迅速打開，艙門只承受艙壓引起的環(huán)向張力，而機身上的大部分拉伸和剪切載荷仍要由艙門周圍結(jié)構(gòu)承擔的規(guī)定，將對被破壞的結(jié)構(gòu)按靜強度、耐久性設(shè)計原則和破損-安全理論對其進行補強設(shè)計布局。

上述幾種重分布的載荷疊加作用，這樣可以得出，由于開口的原因使局部剪流加大，為平衡開口邊緣剪流同時承載加大區(qū)域的剪流，要在開口的上、下，前、后分別布置薄壁組合梁、框，組合梁自開口邊緣前、后延伸段約為開口高度的0.5倍。在開口區(qū)域蒙皮內(nèi)、外側(cè)鋪設(shè)鋁合金加強板。此外，還在開口周邊框上設(shè)置傳遞門上氣密載荷的止動擋塊及加強肋。

由于開口尺寸相對較大，在機身總體受力狀態(tài)下，開口區(qū)域存在撕裂扭力。為平衡扭力同時滿足破損-安全設(shè)計原則，要把開口加強結(jié)構(gòu)布置成盒式結(jié)構(gòu)。從登機門和服務(wù)門及應(yīng)急門的總體布置圖可知，在開口邊緣框前、后鄰近處布置有機身隔框，因此可將邊緣框左、右側(cè)的加強肋按斷開的長桁的格局進行布置同時連接到鄰近的隔框上，這樣既可將邊緣框與鄰近隔框連接成盒段，同時又替代長桁傳力和支撐蒙皮。在開口區(qū)上、下區(qū)域機身縱向只布置有長桁，由于長桁相對較弱，所以要在相應(yīng)位置截斷長桁，局部加強布置成桁梁結(jié)構(gòu)與邊緣梁及邊緣框組成盒段結(jié)構(gòu)。為保證四角在扭力作用下，降低局部剪切應(yīng)力水平同時增強邊緣框、梁抗扭能力，要在邊緣框、梁連接處內(nèi)、外側(cè)布置搭接板，這樣邊緣框、梁及蒙皮、搭接板也組合成盒式結(jié)構(gòu)。這種單框雙梁式設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，傳力路線清晰，同一構(gòu)件避免復(fù)合受力體現(xiàn)了耐久性設(shè)計原則；同時也符合等強度理論原則和破損-安全設(shè)計理論。

2.2 貨艙門開口加強結(jié)構(gòu)設(shè)計

貨艙門開口長寬比通常為l/h>1。貨艙門開口跨度過大，機身總體受力時，在開口區(qū)域有很大的扭力出現(xiàn)，利用鄰近隔框承擔載荷難以達到理想效果，因此對貨艙開口要加設(shè)輔助框，由輔助框與主框組成盒段結(jié)構(gòu)承載扭力。由于艙門跨度尺寸大，且處于機身雙曲度位置，若采用側(cè)開方式，艙門打開會與機身發(fā)生干涉碰撞，導(dǎo)致無法將門開大，影響貨物裝卸。因此可考慮采用向上外翻式開啟方式，在上主梁上設(shè)置懸掛鉸鏈接頭，下主梁設(shè)置液壓鎖扣。其他可與人員出入艙門口框結(jié)構(gòu)類似。

3 材料及制造工藝的選用

根據(jù)民用飛機材料選用原則，在增壓艙區(qū)域蒙皮類零件應(yīng)選用抗疲勞性能好，裂紋擴展速率低的2000系列材料，常用的有2024及鋁鋰合金2198；而需要靜強度高，承受高應(yīng)力的零件應(yīng)選用7000系列材料。

在這里推薦選用：

蒙皮及加強板：鋁鋰合金2198鈑金成型；

熱處理狀態(tài)：T8；

表面處理：鉻酸陽極化；

梁、框及加強肋、止動擋塊、鉸鏈接頭：鋁合金7475機加成形；

熱處理狀態(tài)：T7351；

表面處理：鉻酸陽極化。

4 結(jié)束語

經(jīng)過上述對機身開口處載荷的再分布狀態(tài)的分析，擬定了艙門口框加強結(jié)構(gòu)的初步布局格式及材料和制造工藝的選用。此構(gòu)型得到了加拿大龐巴迪公司C系列飛機相關(guān)部位設(shè)計的實際論證。近幾十年來，隨著冶金材料及制造工藝水平的提高，計算機三維設(shè)計、計算模擬分析的應(yīng)用，民用飛機機體設(shè)計的能力得到了很大的改進和提升?，F(xiàn)代民用飛機更安全、舒適、高效、經(jīng)濟。

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，

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