民用飛機(jī)后壓力框與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)研究

徐 丹 /

(中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽(yáng)110013)

0 引言

后壓力框與機(jī)身的連接站位為機(jī)身氣密與非氣密隔離區(qū)[1]，好的連接方案不僅能給客艙提供持久穩(wěn)定的氣壓環(huán)境，還可為飛機(jī)的裝配與維修提供開闊的空間；除滿足上述要求外，連接結(jié)構(gòu)追求低成本設(shè)計(jì)[2]。在設(shè)計(jì)初期，由于設(shè)計(jì)輸入不完整，從而對(duì)連接方案的構(gòu)型選擇不明確。本文選取成熟機(jī)型的連接方案，從多專業(yè)角度分析連接結(jié)構(gòu)，對(duì)影響連接結(jié)構(gòu)構(gòu)型的因素進(jìn)行論述，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員做構(gòu)型選擇提供思路。

1 載荷分析

后壓力框和機(jī)身壁板通過連接件連接構(gòu)成氣密艙結(jié)構(gòu)，氣密艙結(jié)構(gòu)除了承受飛行載荷及地面載荷外，還需要承受CCAR-25.365增壓載荷[3]。因此連接結(jié)構(gòu)需將后壓力框在飛行過程中可能出現(xiàn)的正負(fù)壓差載荷傳遞到機(jī)身結(jié)構(gòu)上，若后壓力框和垂尾接頭布置在同一框站位，連接結(jié)構(gòu)還需承受突風(fēng)和偏航時(shí)垂尾安裝接頭傳來的集中拉、壓載荷。連接結(jié)構(gòu)必須能夠承受飛機(jī)在整個(gè)使用期限內(nèi)可能遭遇的最大載荷并按損傷容限準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，滿足飛機(jī)使用壽命要求[4]。

2 連接方案

后壓力框與機(jī)身的連接結(jié)構(gòu)是根據(jù)載荷傳遞特點(diǎn)設(shè)計(jì)安全有效的結(jié)構(gòu)將載荷相互傳遞。在設(shè)計(jì)中后壓力框追求用較小半徑的球面以薄膜應(yīng)力[5]來承受機(jī)身增壓載荷，然而這種設(shè)計(jì)方案會(huì)由于機(jī)身外形在后壓力框站位不是完整的圓而不能將后壓力框直接連接到機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)上，所以在設(shè)計(jì)中會(huì)根據(jù)實(shí)際機(jī)型的布置采取折中的方案。

后壓力框和機(jī)身連接的典型方案主要為外接和內(nèi)接兩種，外接方案為設(shè)計(jì)連接件將后壓力框蒙皮直接連接到機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)。內(nèi)接方案為壓力框蒙皮不直接連接到機(jī)身壁板，而是與機(jī)身的環(huán)框及其他加強(qiáng)結(jié)構(gòu)連接，載荷通過機(jī)身框和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)再傳遞。

2.1 外接方案

外接方案的最大特點(diǎn)是載荷傳遞直接，連接結(jié)構(gòu)數(shù)量少，外接方案在空客A380、波音787、龐巴迪C系列等機(jī)型上有應(yīng)用。

2.1.1 方案一

后壓力框?yàn)閺较蚣咏畹膹?fù)合材料件，后壓力框與機(jī)身殼體通過內(nèi)外側(cè)兩個(gè)鈦合金角形件進(jìn)行連接，在增壓一側(cè)布置帶板使壓力框蒙皮與機(jī)身壁板的連接為雙剪連接，該方案偏心小，能獲得非常好的疲勞性能。角形件將后壓力框上的載荷一部分傳到機(jī)身壁板，一部分直接傳給環(huán)框結(jié)構(gòu)。環(huán)框與角材R區(qū)之間的區(qū)域?yàn)槠诿舾袇^(qū)，如圖1所示，該區(qū)域的連接件外形需要額外設(shè)計(jì)曲面，不是常規(guī)的R區(qū)。該曲面與環(huán)框之間的距離盡量縮小以減小彎曲力臂，降低局部彎曲應(yīng)力水平，提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命，因此需要額外設(shè)計(jì)一個(gè)曲面作為后壓力框與機(jī)身連接的根部連接面。

圖1 外接方案一示意圖

2.1.2 方案二

后壓力框?yàn)楦駯沤Y(jié)構(gòu)復(fù)合材料件，將連接件與機(jī)身框的外緣條復(fù)合設(shè)計(jì)成一個(gè)剖面為“Y”形的鈦合金整體件，后壓力框蒙皮與“Y”形緣條搭接連接，如圖2所示。后壓力框的載荷一部分傳到機(jī)身壁板上，一部分傳到環(huán)框結(jié)構(gòu)上。傳到環(huán)框上的載荷分為徑向和縱向兩個(gè)方向，徑向載荷與機(jī)身的增壓載荷抵消一部分，縱向載荷需要在環(huán)框腹板上設(shè)計(jì)穩(wěn)定角板以增加腹板的穩(wěn)定性。

圖2 外接方案二示意圖

外接方案的后壓力框蒙皮外形曲面一般為雙曲面，雙曲面的設(shè)計(jì)受拱高、半徑范圍、曲面與機(jī)身外形的夾角等多參數(shù)影響。后壓力隔框與后機(jī)身外形的夾角從壓力框蒙皮受力考慮設(shè)計(jì)得越小越好，但這會(huì)使后壓力框與非增壓段壁板之間的空間狹小，該區(qū)域的緊固件安裝空間苛刻，安裝質(zhì)量不穩(wěn)定，且非增壓區(qū)的機(jī)身壁板上第一排釘和增壓區(qū)機(jī)身壁板最后一排釘?shù)尼旈g距偏大，間距過大會(huì)導(dǎo)致釘間失穩(wěn)，因此后壓力框外形曲面與后機(jī)身外形的夾角需要嚴(yán)格控制。

2.2 內(nèi)接方案

內(nèi)接方案可為球面框外形曲面的設(shè)計(jì)提供一個(gè)完整的球面，球面受載好，但是該方案載荷傳遞不直接，連接結(jié)構(gòu)數(shù)量多，內(nèi)接方案在空客A320和A350等機(jī)型上有應(yīng)用。

2.2.1 方案一

圖3 內(nèi)接方案一示意圖

承壓蒙皮和連接結(jié)構(gòu)均為鋁合金，承壓蒙皮增壓一側(cè)設(shè)計(jì)帶板進(jìn)行連接，帶板上第一排緊固件傳遞的載荷較小，減小了二次彎曲，獲得較好的靜力和疲勞特性。帶板設(shè)計(jì)在增壓一側(cè)將疲勞敏感區(qū)露在結(jié)構(gòu)外側(cè)，可檢性好，環(huán)框前部需要設(shè)計(jì)加固隔板增加環(huán)框框腹板的穩(wěn)定性，連接方案如圖3所示。該方案中機(jī)身環(huán)框剖面較復(fù)雜，需要大尺寸的厚板機(jī)加制造，材料利用率低，加工成本高。

2.2.2 方案二

后壓力框承壓蒙皮為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)鈦合金“Y”型件將承壓蒙皮連接到機(jī)身環(huán)框，如圖4所示。環(huán)框前部布置縱向加強(qiáng)件將隔框上的載荷傳遞到機(jī)身結(jié)構(gòu)上，承壓蒙皮和“Y”型件的連接之間設(shè)計(jì)為搭接，連接簡(jiǎn)單，易于裝配。該連接方案比方案一采用的整體機(jī)加方案材料利用率更高，制造成本更低，材料可選擇，有更好的設(shè)計(jì)空間。

圖4 內(nèi)接方案二示意圖

內(nèi)接方案的布置使后壓力框與機(jī)身壁板之間獲得較大空間，能確保連接位置緊固件的穩(wěn)定安裝，同時(shí)也為后部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和布置提供空間。但該方案承壓蒙皮上的載荷傳遞到機(jī)身壁板時(shí)有較大的二次彎曲，且環(huán)框前部需要設(shè)計(jì)縱向結(jié)構(gòu)增加框腹板的穩(wěn)定性，導(dǎo)致零件數(shù)量多，裝配關(guān)系復(fù)雜，結(jié)構(gòu)增重。

2.3 方案分析

后壓力框傳給機(jī)身的載荷受壓力框外形曲面的影響，表1為某型飛機(jī)的外形曲面參數(shù)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變水平。好的壓力框外形曲面能降低傳給機(jī)身的應(yīng)力水平，因此首先需要將曲面的設(shè)計(jì)和壓力框與機(jī)身的連接進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)。外接方案中壓力框外形曲面受機(jī)身外形的影響，更改困難，且基于當(dāng)前針對(duì)雙曲面壓力框結(jié)構(gòu)的校核方法不夠成熟，如果沒有足夠的試驗(yàn)支撐，該方案應(yīng)用到機(jī)型上存在風(fēng)險(xiǎn)。內(nèi)接方案的后壓力框外形面受機(jī)身外形的影響較小，環(huán)框高度可設(shè)計(jì)，可為壓力框外形面提供一個(gè)理想邊界，即壓力框蒙皮外形曲面可設(shè)計(jì)為一個(gè)球面，球面受力好，是壓力框承壓蒙皮的理想曲面。但綜合考慮其他方面的設(shè)計(jì)要求，內(nèi)接方案壓力框外形面不一定是球面，譬如A350采用的是非正球內(nèi)接方案。

表1 某飛機(jī)后壓力框修形曲面對(duì)應(yīng)的受載情況

其次,需要考慮連接結(jié)構(gòu)的可制造性。復(fù)合材料的后壓力框連接結(jié)構(gòu)一般優(yōu)先選用鈦合金材料，但鈦合金結(jié)構(gòu)成型比鋁合金結(jié)構(gòu)成型更困難，成本更高且制造周期更長(zhǎng)，尤其是鈦合金厚板/鍛件的機(jī)加，所以當(dāng)選用鈦合金連接結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)優(yōu)先考慮內(nèi)接方案。外形為規(guī)則的球面結(jié)構(gòu)可降低制造難度，雙曲面外形結(jié)構(gòu)存在制造風(fēng)險(xiǎn)。

再次，還需要考慮壓力框站位系統(tǒng)通路問題；內(nèi)接方案的系統(tǒng)開孔只能布置在壓力框蒙皮上，對(duì)需要平面安裝的系統(tǒng)接頭需要額外設(shè)計(jì)系統(tǒng)支架與壓力框蒙皮進(jìn)行連接，系統(tǒng)支架屬于次結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少次結(jié)構(gòu)的布置，且增加的緊固件孔影響結(jié)構(gòu)的疲勞性能；壓力框蒙皮若是金屬鈑金薄板類結(jié)構(gòu)，開口尺寸大于一定值時(shí)還需要額外設(shè)計(jì)加強(qiáng)件進(jìn)行加強(qiáng)。內(nèi)接方案則可將大部分系統(tǒng)開口布置在機(jī)身環(huán)框腹板上，機(jī)加件上的開口加強(qiáng)設(shè)計(jì)則相對(duì)簡(jiǎn)單，且該設(shè)計(jì)符合將主要系統(tǒng)安裝與主結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計(jì)要求。

最后，后壓力框與機(jī)身的連接受垂尾前梁布置的影響，垂尾前梁布置的位置是壓力框與機(jī)身連接方案的重要考慮因素但不是決定方案選型的唯一因素。一般情況下，垂尾前梁和壓力框站位相同時(shí)，該站位需要設(shè)計(jì)加強(qiáng)框和縱向加強(qiáng)件，載荷傳遞復(fù)雜，傾向于選擇內(nèi)接方案；也可在垂尾連接區(qū)域選擇內(nèi)接方案，環(huán)向其他區(qū)域選擇外接方案的混合連接方式；當(dāng)垂尾前梁和壓力框布置的位置間隔距離夠大時(shí)，壓力框與機(jī)身連接位置載荷相對(duì)簡(jiǎn)單，傾向于選擇外接方案。

2.4 方案總結(jié)

綜上，外接和內(nèi)接兩種連接方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 外接與內(nèi)接方案的優(yōu)缺點(diǎn)

在實(shí)際機(jī)型應(yīng)用中，可在概念設(shè)計(jì)階段根據(jù)機(jī)身外形和后壓力框布置站位，對(duì)內(nèi)接方案和外接方案中后壓力框與機(jī)身之間載荷傳遞的應(yīng)力水平進(jìn)行比較和分析，并從結(jié)構(gòu)的選材、疲勞壽命、裝配復(fù)雜性、結(jié)構(gòu)總重量以及制造成本和結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率等多方面進(jìn)行綜合評(píng)估[7]，選擇滿足飛機(jī)所有設(shè)計(jì)要求的連接方案；表3和表4為某飛機(jī)在研制階段對(duì)內(nèi)接方案和外接方案做的比較研究。

表3 某飛機(jī)內(nèi)接與外接方案載荷分析

表4 內(nèi)接與外接結(jié)構(gòu)連接結(jié)構(gòu)零件數(shù)量

3 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了后壓力框與機(jī)身連接的外接方案和內(nèi)接方案，提出了影響方案選擇的關(guān)鍵因素，分析了兩種連接方案在實(shí)際機(jī)型應(yīng)用中存在的問題，總結(jié)了兩種連接方案的優(yōu)缺點(diǎn)并提出如何進(jìn)行方案選擇，為后壓力框與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。