金 安＊ 蒿思哲

（1.中航西飛民用飛機有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089；2.航空工業(yè)西安飛機設(shè)計研究所，陜西 西安 710089）

0 引言

飛機機身下部設(shè)備支架，是指布置在飛機客艙地板以下的支架結(jié)構(gòu)，由設(shè)備支架及其固定結(jié)構(gòu)組成，其功能是為飛機內(nèi)部各種系統(tǒng)設(shè)備的固定提供一個安裝平臺，對設(shè)備起支撐的作用。飛機內(nèi)部設(shè)備種類繁多，各設(shè)備的外形、尺寸和固定方式不同，為了滿足飛機在不同姿態(tài)下設(shè)備固定可靠、能夠發(fā)揮其正常功能，設(shè)計人員就需要對設(shè)備支架進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計，不僅要便于各類設(shè)備的安裝調(diào)試，還要保證支架結(jié)構(gòu)在使用過程中具備足夠的強度和剛度。

設(shè)備支架在飛機結(jié)構(gòu)中雖然是輔助結(jié)構(gòu)，但是其承載著飛機正常飛行所需的各類設(shè)備，設(shè)備支架一旦損壞，將影響到飛機的飛行安全，可見設(shè)備支架的重要性。飛機設(shè)計初期，需從總體角度出發(fā)，全面考慮相關(guān)系統(tǒng)各專業(yè)的要求，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，以滿足所有設(shè)備的安裝、使用。

1 布置原則

機身下部設(shè)備支架的布置由支架功能驅(qū)動，其布置取決于支架上面所連接的設(shè)備外形和尺寸，在具體布置時遵循飛機總體布置原則、設(shè)備的固定與安裝空間要求，除此之外還需與周圍結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)安裝，避免干涉。

總體布置從飛機整個布局出發(fā)，規(guī)定了機身下部設(shè)備的安裝位置，在總體規(guī)定的區(qū)域內(nèi)需按照系統(tǒng)設(shè)備的空間位置對應(yīng)布置固定支架結(jié)構(gòu)。設(shè)計時綜合考慮各設(shè)備的外形、尺寸和位置因素，通過對設(shè)備的固定寬度尺寸的整合，使盡可能多的設(shè)備固定在一組主設(shè)備支架結(jié)構(gòu)上。與此同時，設(shè)備支架的布置還受所在區(qū)域空間限制，其上表面需處于同一水平高度。設(shè)備支架屬于輔助安裝結(jié)構(gòu)，在飛機主結(jié)構(gòu)打樣設(shè)計完成后開展此項工作，設(shè)備支架固定結(jié)構(gòu)在與主結(jié)構(gòu)連接時，注意與周圍結(jié)構(gòu)互相協(xié)調(diào)，避免干涉。

2 設(shè)計要求

機身下部設(shè)備支架在設(shè)計時需滿足強度、剛度、穩(wěn)定性要求，使其能承受飛行中可能遇到的任何振動和慣性載荷，同時還需滿足選材要求、維修性要求、重量控制要求和制造工藝要求等。通過優(yōu)化和分析試驗，在滿足設(shè)備支架功能、強度、剛度和穩(wěn)定性要求的前提下，選取利于減重的最優(yōu)結(jié)構(gòu)布局和結(jié)構(gòu)尺寸，以減輕結(jié)構(gòu)重量。

2.1 載荷要求

設(shè)備支架在使用載荷作用下，不應(yīng)有殘余的永久變形；在設(shè)計載荷作用下，結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞。設(shè)備支架在進(jìn)行強度校核時，選取設(shè)備支架最大極慣性載荷進(jìn)行分析，其最嚴(yán)重工況為向前9g工況，因此設(shè)備支架需能承受向前9g工況下的應(yīng)力作用要求。

2.2 選材要求

材料選擇與自身安裝的飛機主結(jié)構(gòu)相匹配的材料，結(jié)合零件的工藝性設(shè)計要求，綜合權(quán)衡材料的設(shè)計性能（如機械性能、物理性能和化學(xué)性能等）和工藝性能（如成形、切削、連接和熱處理等），采用制造工藝簡單成熟的高強度金屬材料，在滿足結(jié)構(gòu)完整性要求下盡量選用材料價格、工藝成本、維修成本低廉的材料。

2.3 維護(hù)要求

設(shè)備支架在與主結(jié)構(gòu)連接時，要注意安裝工序，確保安裝通路開敞，施工方便。設(shè)備支架為飛機電源系統(tǒng)、環(huán)境防護(hù)系統(tǒng)、氧氣系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、機電系統(tǒng)等重要設(shè)備提供固定平臺，在使用過程中需要定期對各系統(tǒng)進(jìn)行檢查與維護(hù)，設(shè)備固定采用螺栓和托板螺母，便于安裝和拆卸，緊固件和拆裝工具盡可能標(biāo)準(zhǔn)化，以滿足維護(hù)性要求。

3 設(shè)計流程

飛機方案設(shè)計階段會形成初步的總體布置圖，規(guī)定了機身下部設(shè)備支架的位置和設(shè)備固定平臺尺寸，這些參數(shù)作為輸入條件，可以初步設(shè)計出設(shè)備支架的結(jié)構(gòu)，通過與飛機主結(jié)構(gòu)的打樣數(shù)模連接協(xié)調(diào)，設(shè)計出設(shè)備支架的固定結(jié)構(gòu)。在完成設(shè)備支架及其固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作后，通過與關(guān)聯(lián)的各系統(tǒng)設(shè)備安裝底座機械接口協(xié)調(diào)，遵循設(shè)備支架的布置原則和設(shè)計要求，相互協(xié)調(diào)形成比較成熟的結(jié)構(gòu)數(shù)模。

根據(jù)設(shè)備支架成熟的結(jié)構(gòu)數(shù)模，以及設(shè)備位置的變動對飛機重心的影響，重新優(yōu)化總體布置方案，調(diào)整設(shè)備支架的布置。飛機總體布置調(diào)整完成后，再次作為機身設(shè)備支架的輸入條件和布置原則，重復(fù)前一輪設(shè)計過程繼續(xù)優(yōu)化，直到滿足各系統(tǒng)設(shè)備的固定要求。機身設(shè)備支架的設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 機身下部設(shè)備支架設(shè)計流程圖

4 結(jié)構(gòu)形式

機身下部設(shè)備支架按照其用途，結(jié)構(gòu)形式應(yīng)能滿足系統(tǒng)所有設(shè)備的固定、穩(wěn)定運行和維護(hù)通道的可達(dá)性，作為系統(tǒng)設(shè)備固定的安裝平臺，其自身基礎(chǔ)是穩(wěn)固的且便于設(shè)備固定。按照機身下部設(shè)備支架的協(xié)調(diào)關(guān)系和設(shè)計輸入，本文經(jīng)過研究各設(shè)計需求對結(jié)構(gòu)設(shè)計的約束，綜合考慮各設(shè)備固定需求，按照設(shè)計思想形成以下幾種結(jié)構(gòu)形式，可供機身下部設(shè)備支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計參考。

4.1 貫通式整體結(jié)構(gòu)

當(dāng)機身地板下部空間較大，特別是該區(qū)域橫向?qū)挾容^大時，可以采用設(shè)備支架前后貫通、設(shè)備支架固定結(jié)構(gòu)左右貫通的結(jié)構(gòu)形式。這種貫通式整體布置的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 貫通式整體布置的結(jié)構(gòu)形式

貫通式整體結(jié)構(gòu)形式簡潔、零件數(shù)量少，設(shè)備支架截面為“Z”字形，根據(jù)設(shè)備支架平臺寬度可以選擇“Z”字形成品擠壓型材機加，設(shè)備支架固定結(jié)構(gòu)采用機加件或鈑金件，上表面與設(shè)備支架翻邊貼合連接，腹板面與機身隔框腹板貼合協(xié)調(diào)連接，通常情況下，在設(shè)備支架兩端采用機加件固定結(jié)構(gòu)，中間采用鈑金件固定結(jié)構(gòu)。

需要注意的是，當(dāng)沿航向的兩設(shè)備支架之間跨度較大時，可根據(jù)承載需求在中間增加一個航向支架結(jié)構(gòu)；當(dāng)某一隔框之間連接設(shè)備重量較大時，可在局部增加一個航向支架結(jié)構(gòu)，以增加設(shè)備支架的承載能力。

4.2 分散式集中結(jié)構(gòu)

當(dāng)機身地板下部空間狹小，特別是地板骨架采用立柱支撐的布局，地板下部空間受周圍結(jié)構(gòu)圍合限制，可相對飛機對稱面對稱布置兩根航向的主設(shè)備支架，主設(shè)備支架的布置兼顧絕大多數(shù)設(shè)備固定的寬度要求，剩余的小型設(shè)備在一側(cè)借用主設(shè)備支架固定，另一側(cè)由分散設(shè)備支架平臺供其固定。當(dāng)小尺寸設(shè)備較多時，可以考慮沿航向布置兩根較大跨度的短設(shè)備支架，在短設(shè)備支架上再布置橫向設(shè)備固定平臺，將眾多小型設(shè)備集中布置在一到兩個框間距之內(nèi)。分散式集中布置的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 分散式集中布置的結(jié)構(gòu)形式

分散式集中布置空間利用率高、設(shè)備整合度好，設(shè)備支架采用帽形截面板彎零件，設(shè)備支架固定結(jié)構(gòu)采用鈑金件，在滿足與帽形截面兩側(cè)邊貼合后結(jié)構(gòu)形式可自定，設(shè)備支架與設(shè)備支架固定結(jié)構(gòu)在帽形兩側(cè)邊連接。設(shè)備支架及其固定結(jié)構(gòu)均采用了成熟的鈑金工藝，制造質(zhì)量可靠，同時設(shè)備支架分段式布置，尺寸短便于加工和裝配。

4.3 獨立式零散結(jié)構(gòu)

除了以上兩種全局性、系統(tǒng)性綜合布置的結(jié)構(gòu)形式外，其余形式均為獨立的按需零散布置方式，在總體布置時沒有一個完整的規(guī)劃布局。由于個別設(shè)備與其他設(shè)備距離較遠(yuǎn)，此時需要針對該設(shè)備單獨設(shè)計專用支架。此類設(shè)備支架的結(jié)構(gòu)形式以滿足獨立設(shè)備最低固定需求為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計，通常要求盡可能選用成品型材完成設(shè)計。

獨立式零散結(jié)構(gòu)常用的成品型材有“L”型、“工”字形和“幾”字形，在加工時只需要對型材裁剪即可。這種形式的布置個體特征明顯，一般不通用，與前兩種形式相比，設(shè)備支架結(jié)構(gòu)單位重量也有所增加。

5 結(jié)構(gòu)分析

這三種結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計各有優(yōu)勢，通過對比結(jié)構(gòu)性能和適用范圍，形成以下觀點：

（1）貫通式整體布置的結(jié)構(gòu)形式簡潔、零件數(shù)量少、結(jié)構(gòu)傳力清晰，設(shè)備支架固定結(jié)構(gòu)橫向貫通設(shè)計將兩側(cè)設(shè)備支架連為一體，結(jié)構(gòu)整體性能較好，適用于大、中型飛機設(shè)備支架結(jié)構(gòu)設(shè)計，其設(shè)備布置靈活、位置調(diào)整方便，對設(shè)備的變動可設(shè)計性好，便于總體布置改動、工作量小。

（2）分散式集中布置的結(jié)構(gòu)形式空間利用率高、設(shè)備整合度好、結(jié)構(gòu)重量輕，采用帽形截面結(jié)構(gòu)，設(shè)備支架獨立承載能力強，面內(nèi)穩(wěn)定性好，特別適用于中、小型飛機設(shè)備支架結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)可設(shè)計度高，設(shè)備布置靈活、集成度高，當(dāng)設(shè)備布置實現(xiàn)數(shù)字化與信息化設(shè)計后可大幅度減少工作量。

（3）獨立式零散結(jié)構(gòu)個體特征明顯，設(shè)備支架一般不通用，設(shè)備針對性強，這種結(jié)構(gòu)形式適用于零散設(shè)計，在飛機工程研制階段或者設(shè)計定型階段對個別設(shè)備的增加或者調(diào)整時采用，設(shè)計特點是對位置要求較低，且結(jié)構(gòu)選擇成品較多、材料成本低。

6 結(jié)語

本文結(jié)合機身下部設(shè)備支架的布置原則和設(shè)計要求，給出了一套完整的設(shè)計流程。通過對機身下部設(shè)備支架的研究、設(shè)計，形成了三種結(jié)構(gòu)形式，對這三種結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計特點進(jìn)行對比分析，供飛機機身下部設(shè)備支架的設(shè)計參考。在選用時需按照特定飛機的要求靈活使用，不同結(jié)構(gòu)形式的采用會產(chǎn)生各自獨有的結(jié)構(gòu)效果。