大飛機(jī)中央翼盒設(shè)計(jì)方案分析

1、    大飛機(jī)中央翼盒設(shè)計(jì)方案分析    李林（沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110850）摘要：中央翼盒與外翼及機(jī)身相連，承受和傳遞重要的飛機(jī)載荷，是中機(jī)身客艙地板的支持構(gòu)件，飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的選用決定著不同的設(shè)計(jì)方案。下面就以采用不同材料的方案一和方案二飛機(jī)的翼盒設(shè)計(jì)對(duì)比，來(lái)展示不同的飛機(jī)設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞：中央翼盒；損傷容限；破損-安全；自動(dòng)鋪帶（atl）中央翼盒由上下壁板、前后梁和中間肋組成，是機(jī)翼的主要承載結(jié)構(gòu)，也是飛機(jī)油箱。其設(shè)計(jì)要滿(mǎn)足靜強(qiáng)度、破損安全、疲勞、損傷容限、整體油箱等細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)方案的擬定，還要綜合考慮材料選用、加工工藝

2、、裝配和維修等技術(shù)。按上述設(shè)計(jì)要求，從翼盒布局及零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面對(duì)選用不同材料的方案一飛機(jī)和方案二飛機(jī)分別進(jìn)行論證，詳解不同的民用飛機(jī)設(shè)計(jì)理念。1 材料選用方案一飛機(jī)中央翼盒為全金屬結(jié)構(gòu)。方案二飛機(jī)中央翼盒為金屬、復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料用量占中央翼盒重量的41.58%。復(fù)合材料相較金屬材料，有較好的比剛度、比強(qiáng)度，耐疲勞、耐腐蝕性能。2 上、下壁板方案一飛機(jī)壁板，考慮破損-安全特性，金屬制造的上壁板分成2塊，采用7000系材料；下壁板選用2000系板材和型材，由前、中、后3塊壁板組成，包括2個(gè)連接前、后壁板的接頭。方案二飛機(jī)壁板上、下蒙皮和t型截面長(zhǎng)桁采用碳纖維復(fù)合材料，分別由自動(dòng)鋪帶工藝

3、（atl）制造，然后共固化成型。復(fù)合材料抗腐蝕和裂紋擴(kuò)展性能好，有良好的損傷容限特性，比金屬結(jié)構(gòu)維護(hù)費(fèi)每年減少30%，重量減輕30%-40%。3 前、后梁方案一飛機(jī)翼盒前梁采用組合式腹板梁，由梁緣條、腹板和立柱及對(duì)接接頭和對(duì)接帶板組成。后梁采用整體梁。其核心部分由鍛件機(jī)加而成，沿翼梁展向腹板上設(shè)置止裂筋條，以提高抗裂紋的許用應(yīng)力。方案二飛機(jī)前、后梁均采用碳纖維預(yù)浸料自動(dòng)鋪帶機(jī)制造，加筋一體共固化成型。前、后梁均由腹板、內(nèi)表面共固化的2根水平加筋、外部機(jī)械連接的4根垂直加筋組成。翼梁采用金屬結(jié)構(gòu)，零件數(shù)量多，增加結(jié)構(gòu)重量，材料利用率低，且損傷容限低，增加了制造和維護(hù)成本。復(fù)合材料零件一體成型，結(jié)

4、構(gòu)型式簡(jiǎn)單，有良好的損傷容限特性。4 中間肋方案一飛機(jī)翼盒上、下壁板內(nèi)側(cè)由鋁合金構(gòu)架肋連接，以加強(qiáng)中央翼盒。鋁合金構(gòu)架支柱，一端可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度便于安裝。方案二飛機(jī)因壁板及翼梁為復(fù)合材料加筋共固化制造，整體承受外翼載荷的能力較強(qiáng)，可采用順航向?qū)ΨQ(chēng)布置的單面機(jī)加的腹板肋，這樣的整體設(shè)計(jì)減輕了翼盒總重。構(gòu)架肋通過(guò)支桿的方式支持翼盒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單，制造成本低，內(nèi)部開(kāi)敞性好，重量輕并在裝配和維護(hù)時(shí)十分方便。腹板肋制造成本高，開(kāi)敞性差，但其增強(qiáng)了翼盒整體結(jié)構(gòu)抗彎、扭的能力，減輕了蒙皮、翼梁的承載。對(duì)于構(gòu)架肋方案來(lái)說(shuō)，由于支桿與接頭之間通過(guò)插耳銷(xiāo)軸連接，這種連接方式有一定的“靈活性”，積累的電荷容易在結(jié)構(gòu)間

5、隙中尖端放電產(chǎn)生火花，造成油箱起火，設(shè)計(jì)不能從根本上解決問(wèn)題，就需要經(jīng)常進(jìn)入到翼盒內(nèi)部進(jìn)行檢查，需要拆卸整流罩等其他部件，增加了維護(hù)成本。因此按最新適航條例油箱安全要求，內(nèi)部肋采用腹板肋更合適。5 檢修口布置方案一飛機(jī)在整體機(jī)加的后梁腹板上布置2個(gè)檢修口，在開(kāi)口區(qū)域用筋臺(tái)加強(qiáng)。方案二飛機(jī)選擇在復(fù)合材料下壁板作維修通道開(kāi)口。因翼盒為密閉結(jié)構(gòu)，且其內(nèi)部為腹板肋，為保證維修人員進(jìn)出或發(fā)生意外時(shí)救援方便，檢修口布置為四個(gè)，且有利于維修時(shí)翼盒內(nèi)部通風(fēng)。翼梁主要承受彎曲載荷，若在復(fù)合材料梁腹板上作大的開(kāi)口，在剪應(yīng)力作用下，將嚴(yán)重降低腹板屈曲穩(wěn)定性。下壁板主要承受拉伸載荷，符合復(fù)合材料受力特性，且方便人員進(jìn)

6、出及操作，所以方案二飛機(jī)選擇在下壁板作維修通道開(kāi)口。6 翼身連接方案一飛機(jī)外翼上、下壁板分別搭接在鈦合金的十字接頭和t型接頭上，同時(shí)在下壁板對(duì)接處用鈦合金帶板連接，壓力接頭連接上壁板長(zhǎng)桁和根肋腹板。十字接頭上部連接機(jī)身側(cè)壁板。方案二飛機(jī)由于采用碳纖維t型長(zhǎng)桁共固化的壁板，翼盒、外翼上壁板長(zhǎng)桁在根肋處分別由兩片長(zhǎng)桁接頭直接夾持連接在肋腹板上。同時(shí)在翼盒上壁板外表面有5根短梁與機(jī)身側(cè)壁板加強(qiáng)框相連，相應(yīng)的在根肋內(nèi)側(cè)有5根支持框。方案一飛機(jī)通過(guò)根肋、十字接頭及翼盒上壁板與機(jī)身側(cè)壁板的柔性連接傳遞機(jī)翼蒙皮剪力到機(jī)身。機(jī)翼傳來(lái)的彎矩大部分進(jìn)入中央翼區(qū)而自身平衡。機(jī)翼傳來(lái)的扭矩一部分分解成剪力，另一部分以

7、剪流形式在機(jī)翼根肋通過(guò)“t”型材傳入機(jī)身，與機(jī)身的彎矩相平衡。方案二飛機(jī)由于上壁板是復(fù)合材料制造，機(jī)翼蒙皮傳來(lái)的剪切載荷主要通過(guò)連于中央翼上表面的5個(gè)帶短梁的加強(qiáng)框，及機(jī)身、機(jī)翼的連接型材傳入機(jī)身。中央翼上壁板的5根與框相連的短梁、5個(gè)根肋支持框，既有較強(qiáng)的自身結(jié)構(gòu)又堅(jiān)固的支持上壁板，增加上壁板的穩(wěn)定性。此區(qū)域結(jié)構(gòu)5根短梁載荷多路傳入機(jī)身，又能獲得關(guān)鍵件較高的疲勞和破損安全壽命。7 結(jié)束語(yǔ)通過(guò)上述對(duì)比分析，飛機(jī)翼盒應(yīng)用復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制造，采用共固化等技術(shù)，可大量減少零件、緊固件數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重，降低裝配成本，增加飛行可靠性。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的采用是改進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)、降低油耗的重要途徑。復(fù)合材料會(huì)逐步取代鋁合金材料成為收音機(jī)設(shè)計(jì)的主要材料。參考文獻(xiàn)：1飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委會(huì)