飞机结构设计 第7章 机身结构设计(修改).pdf

第第7章 机身结构设计章 机身结构设计 南京航空航天大学 飞机设计技术研究所 机身结构设计受机身内部装载的要求和 与其他部件的协调的影响较大，因此机身结 构设计不能仅考虑结构受力本身，还要综合 考虑其它各方面的要求 7.1 机身结构型式的选择 ?合理地布置各种载重、燃油;协调机身与机翼、 尾翼、起落架等部件的关系这些布置是总体 设计阶段协调安排确定的 ?满足机身断面形状与尺寸大小沿纵轴的分布符 合气动布局的要求；满足飞机对于重心的要求 ?机身的内部布置和机身与其它部件的连接往往 决定了机身主要传力元构件的布置 ?满足各种载重的使用、检测、维护、更换等要 求 7.1.1 机身的内部布置 7.1.2 机身结构型式的选择机身结构型式的选择 ?桁梁式：桁梁的截面面积很大，蒙皮很 薄，长桁很弱这种结构型式适合于大开 口、小载荷的情况 ?桁条式：长桁较密较强，蒙皮较厚这种 结构适合于小开口、中等载荷的情况 ?硬壳式：厚蒙皮结构，几乎没有纵向构 件，其外形和刚度好这种结构适合于无 开口、大载荷的情况 ?相对弯矩 ?相对扭矩 eff Z Z 4 D M M= eff X X 2 D M M= 图7.1 当量直径Deff 的定义 ?机身结构型式的选择 7.2 机身主要受力构件布置机身主要受力构件布置 ?受力构件布置的依据： ?开口（位置、形状、大小和开口特性）： 由内部布置和机身与其它部件的连接协调 关系确定。

?集中载荷：由装载布置与机身-机翼、机 身-尾翼、机身-起落架确定 ?机身受力构件布置主要是指横向构件(加强框、 普通框)、纵向构件(长桁、桁梁、纵向加强 壁板、加强长桁)以及蒙皮的布置 图图7.2 某强击机机身内部布置与主要受力构件的布置某强击机机身内部布置与主要受力构件的布置 1-前机身桁条；前机身桁条；2-垂尾安定面的后梁轴线；垂尾安定面的后梁轴线；3-机身设计分离面；机身设计分离面；4-减速伞 舱； 减速伞 舱；5-炸弹舱；炸弹舱；6-发动机；发动机；7-驾驶舱；驾驶舱；8-加强框加强框(8、、12、、13、、16、、20、、24、 、 25、、29、、30、、41、、44号，其中：号，其中：24号加强框为机翼主梁对接框；号加强框为机翼主梁对接框；17号为 机翼前梁对接框； 号为 机翼前梁对接框；41号为全动平尾对接框；号为全动平尾对接框；44为与平尾和垂尾相连的加 强框； 为与平尾和垂尾相连的加 强框；29、、30为设计分离面加强框为设计分离面加强框)；；9-油箱；油箱；10-前起落架舱；前起落架舱；11-设备 舱 设备 舱 一、加强框的布置 (1) 大集中力作用处(如：翼梁接头处)； (2) 大开口的两端； (3) 设计分离面前后； (4) 气密增压座舱端框。

加强框的数目应尽量少，布置加强框必须 遵循“一框多用”的基本设计原则 “一框多用一框多用”的例子的例子 普通框 ?在加强框布置好以后进行的，取决于框之 间的间距 ?普通框的间距与长桁的截面或蒙皮的厚度 有一定关系，一般地歼击机的间距为 300mm左右，大型飞机的框间距约了350- 500mm范围内 ?普通框的间距根据统计数据或原准机确 定，然后再根据机身内部安装需要作些调 整 图7.3 桁梁布置 二、桁梁的布置 ?桁梁一般布置在机身剖 面的四个象限的中间， 即±45°附近 ?桁梁沿纵向一般等幅布 置 ?桁梁尽可能保持连续不 断并避免急剧转折若 不得不转折，布置隔框 承受轴力分量，增重 图7.4 桁梁错位的设计方案 图7.5 桁梁转折处布置隔框 三、桁条的布置 ?加强桁条： ?一是为了传递平行于机身纵轴方向的集中 力：机身减速板、机翼接头、尾翼接头、 发动机推力接头的纵向载荷分量 ?二是在机身的背部(上零纵)和腹部(下零 纵)，以承受机身的弯矩MZ ?注意与原有的长桁或桁梁结合起来布置 ?“一件多用”原则 R p 机身轴线 加强长桁 隔框 腹板 集中力扩散件 ?普通桁条： ?布置比较密，它们与蒙皮组成承力壁板， 抗弯；需合理确定长桁间距、截面形状， 使之与蒙皮组合成结构高效的壁板。

?纵向布置应尽可能按等角辐射线布置，受 力和工艺形好 ?歼击机：80～150mm ?轰炸机和运输机：150～250mm 四、蒙皮的布置 ?受剪时承担剪力和扭距，作为壁板承受正应力； ?与机翼相比：结构高度大，载荷小，蒙皮薄； ?一般按受剪来确定； ?M3的飞机，在受热影响较大的部位机身 蒙皮采用钛合金或不锈钢板材； ?一般机身中部受力大，两头受力小，故中部蒙皮比 两头的厚； ?必须考虑工艺制造、供货来源、生产成本等因素; ?复合材料机身设计问题：B787,A380 图7.6 某轰炸机机身蒙皮厚度分布 7.3 加强框的设计加强框的设计 ?类型： ?刚框(环形)式 ?腹板式(包括球面框) ?构架式 ?承载特点：主要是框平面内集中载荷，传给蒙皮并 扩散 ?结构型式和参数与机身外形、内部装载布置、集中 力大小、性质以及支持它的机身结构的特点有密切 关系 7.3.1 刚框式加强框刚框式加强框 ?由内、外缘条、腹 板、支柱等元件组 成 ?整体式：用整体锻 造毛坯经机械加工 而成 ?组合式：由挤压型 材弯制的缘条、腹 板及支柱铆接而成 ?混合式 一、刚框的内力一、刚框的内力 在法向、切向集中力（P，T）与集中力矩（M）作用下处 于平衡状态。

在法向、切向集中力（P，T）与集中力矩（M）作用下处 于平衡状态 在 法 向 集 中 力 作 用 处，框缘截面的弯矩 值最大 在 法 向 集 中 力 作 用 处，框缘截面的弯矩 值最大 M=kMP •RP 在集中力矩作用处，框缘 截面的弯矩值也最大 在集中力矩作用处，框缘 截面的弯矩值也最大 法向集中力法向集中力P和切向集中力和切向集中力T相比，前者产生 的弯矩较大，其最大值为 相比，前者产生 的弯矩较大，其最大值为RP/4，而切向集中力产 生的最大弯矩值约为 ，而切向集中力产 生的最大弯矩值约为RT/16因此，当因此，当T=P时，法 向集中力产生的最大弯矩值为切向集中力产生的 最大弯矩值的 时，法 向集中力产生的最大弯矩值为切向集中力产生的 最大弯矩值的4倍 M=kMT •RT 注意：注意： ?上述曲线不能作为强度计算的依据；上述曲线不能作为强度计算的依据； ?工程梁假设不适宜机身的强度校核；工程梁假设不适宜机身的强度校核； ?实际上刚框的内力分布与刚框截面形状、框缘形状与尺寸、 蒙皮对框的支持情况等因素有关； 实际上刚框的内力分布与刚框截面形状、框缘形状与尺寸、 蒙皮对框的支持情况等因素有关； ?实际刚框真实的内力分布必须通过有限元数值分析或者试 验才能获得。

实际刚框真实的内力分布必须通过有限元数值分析或者试 验才能获得 上述结论提醒：上述结论提醒： ?当有集中力作用到框上时，应使其尽可能接近切向；当有集中力作用到框上时，应使其尽可能接近切向； ?正是由于弯矩值沿周边是变化的，因此框缘设计时若与弯 矩分布规律相符将有利于减轻框的重量 正是由于弯矩值沿周边是变化的，因此框缘设计时若与弯 矩分布规律相符将有利于减轻框的重量 二、刚框型式的选择 (1) 若框缘高度若框缘高度H大、弯矩大、弯矩M小小(M/H小，即框缘条轴力小小，即框缘条轴力小)， 则腹板剪应力小，采用薄腹板、铆接组合式框比较好， 铆钉剪切载荷小，又能充分发挥缘条作用，也便于装配 ， 则腹板剪应力小，采用薄腹板、铆接组合式框比较好， 铆钉剪切载荷小，又能充分发挥缘条作用，也便于装配 (2) 若框缘高度若框缘高度H小、弯矩小、弯矩M大大(M/H大，即框缘条轴力大大，即框缘条轴力大) ， 则腹板剪应力大，此时宜采用整体框因为整体框的有 效高度比组合式要大，而且整体框的厚腹板 ， 则腹板剪应力大，此时宜采用整体框因为整体框的有 效高度比组合式要大，而且整体框的厚腹板（工艺性使 然） （工艺性使 然）能承受大的腹板剪应力。

此外，还避免了采用组合 式框带来的铆钉连接增重（腹板剪应力高） 能承受大的腹板剪应力此外，还避免了采用组合 式框带来的铆钉连接增重（腹板剪应力高） 三、刚框的结构设计 ?刚框按强度与刚度要求设计成等强度曲梁 ?刚框为静不定系统，应尽量使框截面刚度的 分布与弯矩的变化一致 ?设计方法：工程估算方法；结构布局优化设 计方法（发展方向，但尚不成熟） ?趋势：整体件（疲劳性能优越、重量轻，但 不太符合损伤容限设计理念，要特别重视结 构细节设计和总体应力水平的控制 刚框中内力分布和大小对刚框设计起关键作用，从上述刚框受力特点可 看出，设计时应注意： 1 ) 刚框的构造型式主要依据刚框弯矩的分布和大小、刚框的截面高 度及工艺制造能力确定； 刚框中内力分布和大小对刚框设计起关键作用，从上述刚框受力特点可 看出，设计时应注意： 1 ) 刚框的构造型式主要依据刚框弯矩的分布和大小、刚框的截面高 度及工艺制造能力确定； 刚框设计时应注意的问题刚框设计时应注意的问题 2 ) 法向集中力引起框截面弯矩比切向集中力引起弯矩大，因此尽可 能地使集中力沿切向作用于刚框上； 2 ) 法向集中力引起框截面弯矩比切向集中力引起弯矩大，因此尽可 能地使集中力沿切向作用于刚框上； 3 ) 当构造或工艺要求刚框设置分离面时，一般将分离面布置在框截 面弯矩最小处； 3 ) 当构造或工艺要求刚框设置分离面时，一般将分离面布置在框截 面弯矩最小处； 4) 长桁与刚框相交时，一般不允许将框缘条断开让长桁通过。

因为 长桁的轴力远比框缘条的内力小，一般将长桁断开 4) 长桁与刚框相交时，一般不允许将框缘条断开让长桁通过因为 长桁的轴力远比框缘条的内力小，一般将长桁断开对于加强 框而言） 对于加强 框而言） 5) 框内剪力主要由腹板承受，当腹板较薄时，在剪切内力作用下会 受剪失稳另一方面，刚框的曲率较大，弯曲时内、外缘条对框 腹板产生分布压力，所以必须设置一些支柱，以提高其受剪、受 压临界应力 5) 框内剪力主要由腹板承受，当腹板较薄时，在剪切内力作用下会 受剪失稳另一方面，刚框的曲率较大，弯曲时内、外缘条对框 腹板产生分布压力，所以必须设置一些支柱，以提高其受剪、受 压临界应力 图7.8 刚框的几种典型的形式 (a) 分段式整体刚框 (b) 框腹板上的孔边裂 纹（高拉应力区） (c) 刚框整体件 图7.8 刚框的几种典型的形式 (d) 运八43号环形框上部(e) 旅客机框 图7.8 刚框的几种典型的形式 图7.8 刚框的几种典型的形式 (f) 安-12的13号加强框 7.3.2 腹板式加强框腹板式加强框 ?框平面布置有腹板和纵横向型材，它相当于一个平 面板杆结构 框平面布置有腹板和纵横向型材，它相当于一个平 面板杆结构。

?全腹板框全腹板框 ?大多数是部分腹板框大多数是部分腹板框 ?气密端框（球面框和平面框），主要承受框面的分 布载荷 气密端框（球面框和平面框），主要承受框面的分 布载荷 腹板式加强框的应用：腹板式加强框的应用：在需用框与壳体一起构成 封闭舱段，如气密增压座舱、油箱舱、设备舱、起落 架舱等舱段时，必须采用腹板框 在需用框与壳体一起构成 封闭舱段，如气密增压座舱、油箱舱、设备舱、起落 架舱等舱段时，必须采用腹板框 图7.9 腹板框 (a) 带有旅客机通过门腹板框；(b) 某轰炸 机前起落架连接框 一、腹板式加强框的受力特点 1) 腹板框属于平面板杆结构，腹 板上可设置加强型材用来承受 集中力，并由它扩散成剪流传 给腹板，腹板受剪； 腹板框属于平面板杆结构，腹 板上可设置加强型材用来承受 集中力，并由它扩散成剪流传 给腹板，腹板受剪； 2) 纵、横型材只受轴力，它们将 腹板分成若干个格子，以提高 腹板的剪切稳定性； 纵、横型材只受轴力，它们将 腹板分成若干个格子，以提高 腹板的剪切稳定性； 3) 腹板上的剪流小，其厚度比刚框的薄；腹板上的剪流小，其厚度比刚框的薄； 4)。