探究民用飞机典型金属机身壁板设计方法

李明升

摘 要 民用飞机机身金属壁板由蒙皮和长桁组成，本文针对壁板初步设计，从受力形式分析、材料选择、长桁截面选择、蒙皮分块以及最小厚度确定等因素进行了进一步探究，可为之后的民用飞机壁板设计提供重要的参考依据。

关键词 民用飞机;金属机身壁板;设计方法

民用飞机机身为半硬壳式构造，金属壁板是机身结构中最大的装配单元，由蒙皮和长桁组成，是飞机结构设计的重要承载组件，承受着机身的弯曲、扭转载荷、剪切以及座舱压力等所有主要的载荷。壁板受力形式十分复杂，位置不同，相应的设计情况不同，所以要结合具体的部位充分考虑。本文针对民用飞机典型金属机身壁板设计给出了详细分析。

1机身壁板受力分析

蒙皮、长桁构成了机身壁板，是平衡机身结构荷载的关键性构件。其中，针对机身受载的分析为：飞机当中的各个部件以及装载物产生的载荷，在框上产生直接的作用，框以减流的形式，向蒙皮传递荷载[1]。剪力到达蒙皮之后，机身便如同薄壁，会对各个方向的横向力进行承载，进而出现弯曲和扭转的情况。弯矩会有轴向力产生，具体来说便是长桁以及蒙皮当中存在的正应力;扭转以及剪力，导致蒙皮有剪应力产生，因此，蒙皮和长桁具体的受力为：蒙皮可以对机身的外形进行维持，与长桁共同对弯矩MZ和MY承受，构成轴向力;对剪力FY， FZ、扭矩Ma产生的剪应力承受;对增压舱当中存在的气密载荷承受。长桁：与蒙皮共同对弯矩Mz和MY引起的轴向力进行承受;此外，长桁会针对蒙皮产生支持作用，使蒙皮具备更高的受压和受剪失稳临界应力[2]。因为机身存在的弯矩，其方向通常都是向下的，所以机身受弯过程中，一般都是上部受拉，而下部受压。一旦壁板当中的应力由拉应力进行转变，成为压应力时，蒙皮有可能会失去稳定。所以，长桁的分布通常都会从上至下，并且间距逐步减小，上部非常疏松，而下部较密。上壁板一般会对拉伸载荷进行承受，依照疲劳损伤容限开展设计，对拉伸强度理想、具备高质量的断裂韧性以及裂纹扩展速率材料进行选择，并且要保证控制臂板的设计水平，这是设计当中非常关键的内容;下壁板会对受压缩载荷进行承受，可依照稳定性开展设计。

2材料挑选

在对蒙皮材料进行选择的过程中，除了考虑材料党的疲劳性能、抗疲劳裂纹扩展性能以及断裂韧性等因素外，最关键的考虑因素便是重量。机身蒙皮可以选择应用全新的材料铝锂合金，该新型材料与常规的2000和7000系列的铝合金相比，具有重量轻、强度高和抗裂纹扩展速率低等优点，但考虑到新材料制造工艺的风险性，在材料选择通常的做法是采用新材料和常规铝合金结合的形式，单曲度的蒙皮和长桁通常选择铝锂合金。双曲蒙皮和长桁机加接头通常选用常规铝合金，例如7075，该材料有着非常理想的综合性能[3]。

3蒙皮分块

蒙皮分块儿的具体数量以及尺寸，需要根据总体布局提出的要求合理开展，并结合机身的设计和工艺分离面的相应划分、开口位置、破损安全情况等等。此外，还需要对同类机种的具体使用情况加以参照，对蒙皮的分块综合考量之后合理开展。为了能够对最大程度的材料连续性进行获取，使结构重量有所减轻，强化结构效率，需要使蒙皮分块尽可能减少。

4蒙皮最小厚度

对于民用飞机来说，重量是衡量飞机设计的重要指标。金属壁板在机身结构设计中重量占比较大，因此机身蒙皮最小厚度设计尤为重要，机身蒙皮是气密舱受力件，压差载荷，剪切力和扭矩产生的剪流及弯矩决定蒙皮的厚度。考虑疲劳强度，需要控制机身蒙皮的应力水平，依据典型的受力分析，气密舱增压载荷下，，可对蒙皮最小厚度t进行估算，具体的公式为：为压差载荷，R为机身蒙皮当量半径。

t =

5挑选长桁截面

民用飞机机身结构当中，对于长桁截面的应用，非常典型的便是z形、帽型以及J型。

针对不同的长桁截面形式进行比较：其一，z形长桁，有着较高的结构效率，可检查性和维修性比较理想，并且组装方便，非常适合在民用结构当中使用;其二：J型长桁，需要借助双排紧固件，将其连接蒙皮，有着良好的破损安全性，可在机身纵向蒙皮的连接处进行使用;其三，钣弯帽型长桁1的结构效率等同于z型长桁，所以在民用结构当中的使用也非常多;其四，钣弯帽型长桁2展现出来的结构效率非常高，但由于封闭区域，针对腐蚀检测的开展十分困难，所以不建议在民用飞机当中对这一形式进行使用。

不同的长桁，有着不同的优势和劣势，可以对成熟机种的设计经验进行借鉴，利用长桁截面局部失稳应力FCC的精准计算、受压壁板的许用压应力FC进行计算、重量计算，可对长航截面进行选择[4]。

6等直段长桁分布

在相同的横剖面当中，长桁有着不均匀的分布，其疏密会结合横剖面当中的具体应力状况进行。将横剖面当中存在的几个明显长桁为界，可以使机身横剖面进行划分，构建几个区域，剩余位置当中的长桁，需要根据上疏下密的原则均匀开展，并对合适的长航分布进行选择，之后实施计算。对最大应力值以及蒙皮最大剪应力进行比较分析，可对长桁最终分布进行明确。

7结束语

总之，在对民用飞机典型机机身壁板，进行分析的过程中，需要对地板的受力形式进行探究，本文从材料选择、蒙皮分块、蒙皮最小厚度、长桁截面设计以及长桁布置的方面，进行了比较详尽的分析和总结，依照相应的原则，可强化民用飞机壁板的设计。

参考文献

[1] 黄雨霓，钱敏.民用飞机典型金属机身壁板设计方法[J].科学技术创新，2018（22）：186-187.

[2] 盧秉贺，李萍，赵继伟.民用飞机后机身壁板控制失效模式和控制载荷工况分析[J].沈阳航空航天大学学报，2012，29（3）：60-63.

[3] 韩峰.大型客机典型壁板传声损失特性的数值分析研究[J].民用飞机设计与研究，2011（1）：49-51，74.

[4] 方阳，尹伟明，孟庆功，等.民用飞机壁板蒙皮及长桁布置结构优化设计[J].民用飞机设计与研究，2017（2）：67-73.