飞机结构设计间隙简析

宋金 陈佳郁 张家堂 李波 蔡晓冬

摘要：一般情况下，飞机结构设计时总会存在一些问题，使其设计结束不尽人意。本文描述和分析了飞机结构设计中常见的一些间隙问题，并提出了解决结构设计间隙中这些问题的建议和思路。

关键词：飞机;结构设计;间隙

我们在设计的时候有很多间隙处理，有的是我们要利用的间隙，有的是我们要想办法控制的间隙，还有一些是我们在设计时就应避免的间隙。示例是结构设计中的常见间隙问题的分析。这就能让间隙处理为结构设计提供方法或想法。

一、飞机结构设计的主要特点

早期设计的飞机只考虑静态强度。也就是说，如果计算和试验证实飞机能够承受运行中严重的可能载荷，则认为飞机的结构足够坚固。随着航空技术的发展，以及新结构、新材料、新技术、的大量采用，飞机的性能、安全性和舒适性得到了极大的提高，飞机的结构要求使用寿命长、可靠性高、维护成本低。设计师的概念根据现代飞机结构设计方法逐步更新和设计。

1.计算机结构设计。利用计算机实现无纸化设计和管理及数据传输，设计正确，与工艺、制造并行，改变传统模线、图模合一，缩短研发周期。同时，及早发现问题，及时解决，设计更改少。用计算机进行预处理、预装配，选择合适的技术方法，不需要制作全尺寸样机，用计算机将人装在结构内部，检查其维修区域的接近性和可操作性。也就是说，通过计算机辅助结构设计，可以将由设计错误和方案修改引起的工程变化抑制到最小。

2.选择新结构。1）复合材料结构。可以根据目前常见于主要承重结构的使用要求和工作负荷，对材料进行设计和裁剪，与普通金属结构相比，该结构具有强度、更高的强度、耐腐蚀性、疲劳性，但很难检测和修复损坏。主要成型方法有热锅成型、卷绕成型、编织成型、RTM法等。其中RTM，即树脂输送模块，是在一定温度和压力下将低粘度树脂类注入置有预成型坯的模具中，然后加熱固化。具有工艺简单、产品表面质量和尺寸精度高、成型周期短等特点，是目前开发的复合材料成型方法。（2）整体结构。具有连接少、力传递直接、耐力好等特点。整个组件具有机身、机翼、尾翼等整体壁、梁、接头等。加工方法主要有数控、数控铣削等，选择材料一般为铝合金预拉伸板材、钛合金等。（3）夹层结构。主要有铝合金蜂窝芯、Nomex、面板为铝合金、复合材料或铝合金复合层板。优点是：在相同重量条件下，刚度大，抗声疲劳，吸振降噪也具有整体结构的特点。但是，夹层结构的粘结质量直接影响结构的完整性，目前主要应用于地板、箱体、进气道、方向舵、副翼、副翼和腹鳍等需要刚度的结构。（4）智能设计。将传感器、驱动元件、控制系统整合到基板中的结构中，不仅具有负载承载能力，还具有识别、分析、判断、动作等功能，结构本身还具有自诊断、自适应、自修复等能力。

3.选用新材料。新材料选取按耐久性、损伤容限要求，并兼顾经济性。（1）复合材料。分为树脂基热固性、热塑性、金属基和陶瓷基等，增强材料有碳纤维、硼纤维、芳纶、玻璃、混杂纤维等，还可利用复合材料制作隐身吸波结构和智能结构。（2）铝锂合金。具有比重小、弹性模量高、疲劳裂纹扩展速率低等特点，制造方法无特殊要求，飞机结构上用量正在扩大。4.新工艺、新设备。新工艺、新设备的发展是现代飞机结构设计的有力保证。诸如钛合金超塑成形/扩散连接、等温锻造、热等静压、超塑成形、大尺寸变厚度数控加工、铝合金多层次立体化铣、大型整体壁板喷丸成形、超长蒙皮的滚弯成形、整体油箱密封、强化工艺、激光加工、粉末注射和自动铆接装配等。

二、设计考虑的间隙类型

1.由于传力要求而产生的间隙。为了限制传力特定方向，会在连接部建立间隙。如在接头对接时，双耳之间会产生间隙，以防止侧向力的连接受到负载;1.5mm-2mm的间隙通常应用于具有复杂对接连接的截面的一侧。但是，在这种情况下，接头和螺栓之间的摩擦会影响传力的限制。在这种情况下，考虑此条件以提高抗拉强度。此外，还必须控制螺栓，降低根部的应力，并提高连接的疲劳性能。

2.补偿设计中出现的间隙。为了满足连接一致性和装配顺序的要求，降低装配应力，根据制造和装配公差的总值在接合处留出适当间隙，并为连接添加密封。但是此种连接会因连接处刚度过大及增加了连接层，使紧固件载荷分布不均及对传载有一定影响，进而影响结构疲劳性能，在关键部位一般不应采用加垫的方式进行补偿;另一类补偿是因考虑装配误差，给出补偿间隙。壁板对接处设计间隙一般为2mm，零件端面之间及端面与圆角边缘设计间隙一般为1mm。

3.结构中由于连接形式而形成间隙。机身通常是一个结构简单的纵向搭接，直接传力，便于密封。但是，此连接在框缘上有间隙。若要减少距离对紧固件紧固的影响，必须向间隙中添加楔形垫片。在旋转和可移动机构中，不可避免间隙。此外，某些间隙会影响结构。在这种情况下，请尽可能小间隙。如水舵转轴与支座之间的间隙，即要求转动灵活又不能间隙过大。对于特定类型的水舵转轴，允许的最大间隙为0.25mm，这几乎足够了。

4.紧固件连接间隙。使用受剪螺栓固定紧固件时，应避免间隙或采用小间隙，如果无法避免间隙，则紧固件的间隙要求必须相同。减小螺栓与连接器结构之间的距离可减少连接处的结构变形并提高疲劳强度。

三、应避免的间隙

1.螺栓受剪结构之间存在间隙。使用螺栓进行连接时，螺栓预紧力会使结构沿螺栓轴向受拉，给连接处带来较大的附加应力，甚至是结构破坏，螺栓连接处存在间隙，预紧力将结构拉裂。

2.密封要求时的装配间隙。由于变形载荷、低密封剂粘接、无压结构等原因，未密封;如果需要密封，请使用不会产生这种间隙的结构。

本文综述了飞机结构设计中常见的问题，并结合实例进行了简要分析，为飞机结构设计中安间隙的处理提供了方法和思路。鉴于现代飞机对结构设计的需求日益增加，对结构间隙问题进行深入分析研究，是提高飞机质量水平的重要因素。

参考文献：

[1]崔芸峰.结构动力学在飞机设计中的应用技术研究[J].电子世界，2020（14）：74-75.