飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計間隙簡析

宋金 陳佳郁 張家堂 李波 蔡曉冬

摘要：一般情況下，飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計時總會存在一些問題，使其設(shè)計結(jié)束不盡人意。本文描述和分析了飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見的一些間隙問題，并提出了解決結(jié)構(gòu)設(shè)計間隙中這些問題的建議和思路。

關(guān)鍵詞：飛機;結(jié)構(gòu)設(shè)計;間隙

我們在設(shè)計的時候有很多間隙處理，有的是我們要利用的間隙，有的是我們要想辦法控制的間隙，還有一些是我們在設(shè)計時就應(yīng)避免的間隙。示例是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的常見間隙問題的分析。這就能讓間隙處理為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供方法或想法。

一、飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要特點

早期設(shè)計的飛機只考慮靜態(tài)強度。也就是說，如果計算和試驗證實飛機能夠承受運行中嚴(yán)重的可能載荷，則認(rèn)為飛機的結(jié)構(gòu)足夠堅固。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，以及新結(jié)構(gòu)、新材料、新技術(shù)、的大量采用，飛機的性能、安全性和舒適性得到了極大的提高，飛機的結(jié)構(gòu)要求使用壽命長、可靠性高、維護(hù)成本低。設(shè)計師的概念根據(jù)現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計方法逐步更新和設(shè)計。

1.計算機結(jié)構(gòu)設(shè)計。利用計算機實現(xiàn)無紙化設(shè)計和管理及數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計正確，與工藝、制造并行，改變傳統(tǒng)模線、圖模合一，縮短研發(fā)周期。同時，及早發(fā)現(xiàn)問題，及時解決，設(shè)計更改少。用計算機進(jìn)行預(yù)處理、預(yù)裝配，選擇合適的技術(shù)方法，不需要制作全尺寸樣機，用計算機將人裝在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，檢查其維修區(qū)域的接近性和可操作性。也就是說，通過計算機輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以將由設(shè)計錯誤和方案修改引起的工程變化抑制到最小。

2.選擇新結(jié)構(gòu)。1）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)?？梢愿鶕?jù)目前常見于主要承重結(jié)構(gòu)的使用要求和工作負(fù)荷，對材料進(jìn)行設(shè)計和裁剪，與普通金屬結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)具有強度、更高的強度、耐腐蝕性、疲勞性，但很難檢測和修復(fù)損壞。主要成型方法有熱鍋成型、卷繞成型、編織成型、RTM法等。其中RTM，即樹脂輸送模塊，是在一定溫度和壓力下將低粘度樹脂類注入置有預(yù)成型坯的模具中，然后加熱固化。具有工藝簡單、產(chǎn)品表面質(zhì)量和尺寸精度高、成型周期短等特點，是目前開發(fā)的復(fù)合材料成型方法。（2）整體結(jié)構(gòu)。具有連接少、力傳遞直接、耐力好等特點。整個組件具有機身、機翼、尾翼等整體壁、梁、接頭等。加工方法主要有數(shù)控、數(shù)控銑削等，選擇材料一般為鋁合金預(yù)拉伸板材、鈦合金等。（3）夾層結(jié)構(gòu)。主要有鋁合金蜂窩芯、Nomex、面板為鋁合金、復(fù)合材料或鋁合金復(fù)合層板。優(yōu)點是：在相同重量條件下，剛度大，抗聲疲勞，吸振降噪也具有整體結(jié)構(gòu)的特點。但是，夾層結(jié)構(gòu)的粘結(jié)質(zhì)量直接影響結(jié)構(gòu)的完整性，目前主要應(yīng)用于地板、箱體、進(jìn)氣道、方向舵、副翼、副翼和腹鰭等需要剛度的結(jié)構(gòu)。（4）智能設(shè)計。將傳感器、驅(qū)動元件、控制系統(tǒng)整合到基板中的結(jié)構(gòu)中，不僅具有負(fù)載承載能力，還具有識別、分析、判斷、動作等功能，結(jié)構(gòu)本身還具有自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)等能力。

3.選用新材料。新材料選取按耐久性、損傷容限要求，并兼顧經(jīng)濟性。（1）復(fù)合材料。分為樹脂基熱固性、熱塑性、金屬基和陶瓷基等，增強材料有碳纖維、硼纖維、芳綸、玻璃、混雜纖維等，還可利用復(fù)合材料制作隱身吸波結(jié)構(gòu)和智能結(jié)構(gòu)。（2）鋁鋰合金。具有比重小、彈性模量高、疲勞裂紋擴展速率低等特點，制造方法無特殊要求，飛機結(jié)構(gòu)上用量正在擴大。4.新工藝、新設(shè)備。新工藝、新設(shè)備的發(fā)展是現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的有力保證。諸如鈦合金超塑成形/擴散連接、等溫鍛造、熱等靜壓、超塑成形、大尺寸變厚度數(shù)控加工、鋁合金多層次立體化銑、大型整體壁板噴丸成形、超長蒙皮的滾彎成形、整體油箱密封、強化工藝、激光加工、粉末注射和自動鉚接裝配等。

二、設(shè)計考慮的間隙類型

1.由于傳力要求而產(chǎn)生的間隙。為了限制傳力特定方向，會在連接部建立間隙。如在接頭對接時，雙耳之間會產(chǎn)生間隙，以防止側(cè)向力的連接受到負(fù)載;1.5mm-2mm的間隙通常應(yīng)用于具有復(fù)雜對接連接的截面的一側(cè)。但是，在這種情況下，接頭和螺栓之間的摩擦?xí)绊憘髁Φ南拗?。在這種情況下，考慮此條件以提高抗拉強度。此外，還必須控制螺栓，降低根部的應(yīng)力，并提高連接的疲勞性能。

2.補償設(shè)計中出現(xiàn)的間隙。為了滿足連接一致性和裝配順序的要求，降低裝配應(yīng)力，根據(jù)制造和裝配公差的總值在接合處留出適當(dāng)間隙，并為連接添加密封。但是此種連接會因連接處剛度過大及增加了連接層，使緊固件載荷分布不均及對傳載有一定影響，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)疲勞性能，在關(guān)鍵部位一般不應(yīng)采用加墊的方式進(jìn)行補償;另一類補償是因考慮裝配誤差，給出補償間隙。壁板對接處設(shè)計間隙一般為2mm，零件端面之間及端面與圓角邊緣設(shè)計間隙一般為1mm。

3.結(jié)構(gòu)中由于連接形式而形成間隙。機身通常是一個結(jié)構(gòu)簡單的縱向搭接，直接傳力，便于密封。但是，此連接在框緣上有間隙。若要減少距離對緊固件緊固的影響，必須向間隙中添加楔形墊片。在旋轉(zhuǎn)和可移動機構(gòu)中，不可避免間隙。此外，某些間隙會影響結(jié)構(gòu)。在這種情況下，請盡可能小間隙。如水舵轉(zhuǎn)軸與支座之間的間隙，即要求轉(zhuǎn)動靈活又不能間隙過大。對于特定類型的水舵轉(zhuǎn)軸，允許的最大間隙為0.25mm，這幾乎足夠了。

4.緊固件連接間隙。使用受剪螺栓固定緊固件時，應(yīng)避免間隙或采用小間隙，如果無法避免間隙，則緊固件的間隙要求必須相同。減小螺栓與連接器結(jié)構(gòu)之間的距離可減少連接處的結(jié)構(gòu)變形并提高疲勞強度。

三、應(yīng)避免的間隙

1.螺栓受剪結(jié)構(gòu)之間存在間隙。使用螺栓進(jìn)行連接時，螺栓預(yù)緊力會使結(jié)構(gòu)沿螺栓軸向受拉，給連接處帶來較大的附加應(yīng)力，甚至是結(jié)構(gòu)破壞，螺栓連接處存在間隙，預(yù)緊力將結(jié)構(gòu)拉裂。

2.密封要求時的裝配間隙。由于變形載荷、低密封劑粘接、無壓結(jié)構(gòu)等原因，未密封;如果需要密封，請使用不會產(chǎn)生這種間隙的結(jié)構(gòu)。

本文綜述了飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見的問題，并結(jié)合實例進(jìn)行了簡要分析，為飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中安間隙的處理提供了方法和思路。鑒于現(xiàn)代飛機對結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求日益增加，對結(jié)構(gòu)間隙問題進(jìn)行深入分析研究，是提高飛機質(zhì)量水平的重要因素。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔蕓峰.結(jié)構(gòu)動力學(xué)在飛機設(shè)計中的應(yīng)用技術(shù)研究[J].電子世界，2020（14）：74-75.