民用飞机机身壁板结构优化设计

张茜

摘  要：壁板是民用飞机机身的主要承力结构，作用在飞机机身的载荷几乎都要通过壁板传递。本文从传力分析、结构布置、材料选择、强度分析、减重优化几个方面进行了分析及研究，介绍了飞机机身壁板结构的优化设计方案，具有一定的工程设计实用效益。

关键词：民用飞机、壁板、结构优化

1.结构简述

飞机壁板构成了机身的外壳，是机身最重要组合件之一。壁板常用的结构形式有五种：由面板和夹芯构成的夹层结构;用化铣加工控制壁板各部位厚度的化铣壁板;蒙皮厚度在2.5mm 以上，两加强框之间不需任何骨架的厚蒙皮壁板;由1.2mm～2.0mm厚的蒙皮和长桁、普通框构成的薄壁结构;以及复合材料壁板结构。民用飞机机身大都是半硬壳式结构，广泛应用薄壁结构壁板。

大部分民用飞机的壁板都是由蒙皮、长桁、隔框等组成的典型加筋板结构，如图1所示。作用于机身的所有载荷几乎都要通过壁板来传递，因此壁板的受力形式复杂，不同的部位要考虑不同的设计情况。壁板的设计情况要根据所在的机身部位进行选择。

2.传力分析

飞机壁板外载荷主要包括气动载荷、惯性载荷及增压载荷。机身整体受到弯、剪、扭的作用。飞机壁板结构设计应针对机身承载特点，围绕壁板所受集中力、压力、弯矩、剪力、扭矩等典型载荷设计合理传力路线。飞机框平面内集中载荷由框承受，通过框腹板和缘条传递给机身;飞机航向集中载荷由纵向构件承受、传递，与机身惯性载荷平衡;机身整体弯矩由壁板、长桁以拉、压形式承受;机身整体剪力和扭矩由蒙皮承受、传递。以上这些结构的承载最终都通过典型加筋板结构的拉伸、压缩、剪切来平衡、传递及扩散。

3.结构布置

承受轴向压力的壁板，为提高结构的稳定性，应增加壁板的厚度或增加纵向加强件，增加横向构件是无效的。承受剪力的壁板，调整纵向或横向构件的间距和蒙皮的厚度均能有效提高壁板的抗剪稳定性。承受径向压力的壁板，为提高结构的稳定性，应增加壁板厚度或加密横向构件，增加纵向构件所得到的效果较小。承受分布压力的平板，有硬板、软板、薄膜三种类型，在分布压力作用下，不同类型的平板有不同的应力状态。半硬壳壁板是一种典型的机身结构形式，其受力特点是承压时，长桁和有效部分的蒙皮承力;承拉时，长桁和全部蒙皮承力。

长桁是机身的重要纵向受力骨架，是壁板中的重要构件，可承受机身纵向弯曲所产生的纵向力、作为蒙皮的纵向支持、承受并传递某些集中载荷。长桁的主要结构形式有钣金成形、挤压型材、锻件机加成形、整体机加成形。为充分发挥长桁的承载效率，长桁应布置在机身的顶部和底部。长桁应当连续，尽量避免弯折。但由于机身下部有起落架舱和发动机舱等，使长桁轴线不能保持直线，设计时应尽可能减缓长桁的弯折程度。长桁的弯折处必须有横向构件支持，横向构件应当能承受长桁轴向力在转折点的横向分力。

4.材料选择

飞机结构材料选用主要是根据结构各部位受力特点而选定，主要包括静强度、疲劳损伤容限、耐腐蚀性能，同时需考虑可加工性、可获得性和成本等因素。飞机结构选材一般根据当代现有材料进行合理选用。普通民用飞机壁板中蒙皮主要承受剪切载荷和增压载荷，由于增压所引起的拉伸载荷成为蒙皮疲劳的主要失效形式，所以蒙皮选材主要从疲劳角度考虑;长桁主要承受拉伸和压缩载荷，材料的拉压强度为主要考虑因素。因此，普通民用飞机壁板蒙皮材料主要选用疲劳、断裂韧性好的2000系列铝合金，同时表面包铝以提高其耐腐性性能。长桁材料选用主要考虑其拉伸及压缩屈服强度，同时兼顾疲劳及断裂韧性，7000系列铝合金挤压型材具有较高的强度及断裂韧性，为长桁的首选材料。

5.强度分析

机身壁板强度计算的原则是直到极限载荷，壁板加强筋不应出现压缩失稳，包括局部失稳和总体失稳，以及材料拉伸不发生破坏失效。机身壁板中的蒙皮与长桁为板杆结构，在有限元模型中只承受剪切和拉压载荷，没有弯曲载荷。民机常用的铆接壁板承受压缩载荷时，可能发生总体压杆失稳，以及各种形式的局部失稳，包括钉间失稳、平板屈曲和侧向失稳等。

机身铆接加筋壁板在压缩载荷作用下，可能发生的局部失稳形式包括蒙皮钉间失稳、长桁外缘条钉间失稳、腹板屈曲、内缘条屈曲、内缘条侧向失稳。此外，长桁和蒙皮的压缩屈服也要考虑。

6.减重优化

根据蒙皮剪切不失稳的原则对蒙皮厚度尺寸进行优化。将蒙皮两长桁、两隔框之间的区域做为一个单元格，两隔框距离做为单元格长度、两长桁之间距离做为单元格宽度，选择承受最大剪切载荷的单元格，根据极限载荷剪切不失稳的原则计算出该单元格的蒙皮厚度，参考民机机身材料选用规范向上选择最接近的厚度尺寸做为蒙皮基础厚度。再根据蒙皮极限载荷剪切不失稳的要求调整其它单元格的化铣蒙皮厚度。在调参时可以发现相同单元格化铣厚度，蒙皮基础厚度越厚，蒙皮剪切许用载荷越大，但是许用应力越小，结构效率越低;相同的蒙皮基础厚度，单元格化铣厚度越大，许用载荷越大，许用应力越小，结构效率越低。所以，为了提高壁板的结构效率，要尽可能减小蒙皮的化铣厚度。

根据壁板压缩稳定性强度计算方法得到加筋板受压临界载荷，预估加筋板面积，再根据确定的蒙皮厚度尺寸计算蒙皮有效面积，对每个区域的长桁进行最大压缩载荷筛选，进一步预估长桁面积。再对比长桁牌号初步选择几个长桁截面。再根据长桁压杆稳定性安全裕度为20%左右进行效率最大原则选长桁，同时需考虑长桁厚度尽量与蒙皮厚度差控制在0.2mm之内。如果载荷相对较小，可选择一个满足面积要求，结构效率稍低、结构重量较低的长桁截面尺寸。

蒙皮和长桁尺寸参数调整确定后，要复算壁板拉伸强度、壁板压缩稳定性、壁板压剪联合稳定性、张力场稳定性是否满足强度要求。

7.结论

本文从传力分析、结构布置、材料选择、强度分析、减重优化几个方面介绍了民用飞机机身壁板结构的优化设计思路，可做为普通民机机身壁板结构优化设计的依据和参考。

參考文献：

[1] 《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册[M].北京： 航空工业出版社，2000.

[2] 牛春匀（美）著. 程小全译. 实用飞机结构工程设计[M].北京： 航空工业出版社，2008.