張茜

摘要：機身與垂尾連接加強框是飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵部位，合理的設(shè)計可提高結(jié)構(gòu)效率、減輕結(jié)構(gòu)重量。本文從受載情況、結(jié)構(gòu)分析、強度分析、尺寸優(yōu)化幾個方面介紹了機身與垂尾連接加強框的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計思路，具有一定的工程設(shè)計實用效益。

關(guān)鍵詞：機身與垂尾；加強框；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化

1.結(jié)構(gòu)形式設(shè)計

飛機機身與垂尾連接加強框，主要用來承受由垂尾前、中、后梁傳遞的集中載荷。機身與垂尾連接加強框頂部載荷最大，左右兩側(cè)載荷最小，底部載荷又變大，故將其設(shè)計為上部框和下部框兩部分，都采用整體機加結(jié)構(gòu)?？紤]到框頂部要與垂尾連接，長桁在此處必須斷開，故將環(huán)向載荷最小的長桁處做為分界，該長桁以上部分的框設(shè)計為全框形式；該長桁以下、舭桁以上部分的框設(shè)計為浮框形式，浮框外緣條上開有長桁通過孔，長桁在此處不分段；船底（舭桁以下）部分的框設(shè)計為浮框形式，框外緣條浮于長桁內(nèi)緣條上并通過鋸齒帶板與蒙皮連接，長桁在此處不分段，船底框采用單面機加框。上部框和下部框通過連接件連接。

2.尺寸參數(shù)設(shè)計

機身與垂尾連接加強框的基本結(jié)構(gòu)確定后，需根據(jù)外載荷確定各部分的尺寸參數(shù)?？蛴筛拱?、內(nèi)緣條、外緣條、立筋四部分組成。設(shè)計各部分尺寸時，需將其結(jié)構(gòu)簡化，內(nèi)緣條和外緣條簡化成桿元、腹板簡化成殼元，立筋將腹板分為很多個單元格，以一個單元格作為一個計算單元，運用有限元方法進行計算。

腹板主要承受剪切載荷，首先根據(jù)腹板剪切穩(wěn)定性計算公式初步調(diào)整蒙皮厚度參數(shù)，腹板的剪切安全裕度計算公式如下：

其中，τcr為腹板受剪切的臨界失穩(wěn)應(yīng)力；τ0為嚴(yán)重工況下，腹板在限制載荷作用下的工作應(yīng)力。

由于框腹板承剪的同時也受壓，故還需校核腹板的壓剪聯(lián)合安全裕度。將腹板的壓剪載荷分解為框平面內(nèi)沿腹板高度方向的Y向載荷，以及框平面內(nèi)與腹板高度方向垂直的X向載荷。

X向壓剪聯(lián)合安全裕度：

式中： ； ；σx為X向最大壓應(yīng)力；σx，cr為X向受壓屈曲臨界應(yīng)力；τxy為最大剪應(yīng)力；τs，cr為腹板受剪的屈曲臨界應(yīng)力。

Y向壓剪聯(lián)合安全裕度：

式中： ；σy為Y向最大壓應(yīng)力；σy，cr為Y向受壓屈曲臨界應(yīng)力。

框內(nèi)緣條主要承受拉壓載荷，首先要保證材料壓縮不發(fā)生屈服，再根據(jù)局部穩(wěn)定性和側(cè)向穩(wěn)定性來調(diào)整內(nèi)緣條的厚度和寬度參數(shù)，當(dāng)內(nèi)緣條局部失穩(wěn)臨界應(yīng)力和側(cè)向失穩(wěn)臨界應(yīng)力大致相等時，才使得內(nèi)緣條的結(jié)構(gòu)最優(yōu)、效率最高。這里需要注意的是，在計算內(nèi)緣條側(cè)向穩(wěn)定性時，如果框的腹板高度較高時，立筋不足以給內(nèi)緣條提供側(cè)向支持時，要考慮將單元格放大，將接頭或者斜撐桿處做為單元分割部位。前面計算得到的內(nèi)緣條參數(shù)需進一步校核使其滿足拉伸屈服安全要求。

全框部分的框外緣條主要承受壓縮載荷，此處要考慮外緣條與蒙皮的連接，要保證在壓縮載荷下，蒙皮和外緣條都不發(fā)生壓縮屈服，蒙皮和外緣條不發(fā)生釘間失穩(wěn)。

浮框部分的框外緣條與內(nèi)緣條計算方法相同，受壓時需考慮材料不發(fā)生壓縮屈服，并且符合局部穩(wěn)定性和側(cè)向穩(wěn)定性要求；受拉時需考慮滿足靜強度的要求。

框立筋的主要作用為劃分單元格，主要承受拉壓載荷，也是綜合要考慮受壓時的壓縮屈服強度、局部穩(wěn)定性和側(cè)向穩(wěn)定性以及受拉時的屈服強度來最終確定立筋的尺寸參數(shù)。

框內(nèi)緣條、外緣條以及立筋的強度計算公式在此不再一一贅述，詳細可參考牛春勻所著的實用飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及尺寸設(shè)計一書。

結(jié)論

通過本文所介紹設(shè)計思路設(shè)計出的機身與垂尾連接加強框結(jié)構(gòu)可以提高結(jié)構(gòu)效率，減輕結(jié)構(gòu)重量，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。

參考文獻

[1]牛春勻（美）著. 馮振宇，程小全，張紀(jì)奎譯.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.

[2]牛春勻（美）著. 程小全譯.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.

（作者單位：中航通飛研究院有限公司）