柳　醉 /

(上海飛機設(shè)計研究院，上海201210)

0　引言

為實現(xiàn)飛機的某些功能或?qū)傩?例如門、窗、維護、檢修、通過液壓管路、通過電氣線束、系統(tǒng)排氣等)，飛機機身壁板上經(jīng)常需要設(shè)計一些開口結(jié)構(gòu)，優(yōu)秀的開口設(shè)計可在某種程度上體現(xiàn)出飛機的先進性。按直徑的相對大小可將開口大致分為大開口、中等開口和小開口。一般來說，登機門、服務(wù)門、貨艙門、起落架艙門、輔助動力裝置(Auxiliary Power Unit, 簡稱APU)艙門等屬于大開口；維護口蓋、窗框、推力回收活門(Thrust Recovery Value, 簡稱TRV)口、高低壓充氣口等屬于中等開口；其它諸如通氣口、排氣口、天線開口、線束開口、液壓/燃油管路開口等可定義為小開口。由于開口區(qū)存在應(yīng)力集中，而且開口區(qū)的靜力和疲勞設(shè)計也往往缺乏足夠的數(shù)據(jù)，故開口區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析通常較非開口區(qū)顯得困難。本文僅討論和分析小開口的設(shè)計方法。

1　機身壁板上的小開口結(jié)構(gòu)形式

小開口，顧名思義，就是尺寸相對較小的開口。小開口可以位于機身的各個部位，以側(cè)下部和下部居多；其開口形狀可按需而定，一般以圓形、橢圓形、方形為主，其它不規(guī)則的形狀由于應(yīng)力集中過于嚴重而較少使用，少數(shù)特殊部位如需使用也應(yīng)采取附加措施以減輕不利影響；圖1所示為飛機機身壁板上典型的小開口形狀。

圖1　飛機機身壁板上典型的小開口

壁板上的小開口有時會增加結(jié)構(gòu)的重量，因為小開口的存在會破壞載荷傳遞的路徑，使原有的結(jié)構(gòu)效率降低，有時需要適當(dāng)增加開口附近結(jié)構(gòu)的強度來承受原開口處應(yīng)承受的載荷以及由于載荷重新分布而產(chǎn)生的一些力。一般來說，壁板上的小開口應(yīng)按照其對結(jié)構(gòu)的影響程度來決定是否采取補強措施及采取何種補強措施；由于小開口尺寸相對較小，故其對結(jié)構(gòu)完整性的影響也是局部性的；對位于低載荷區(qū)的小開口，如開口后結(jié)構(gòu)的強度裕度能滿足設(shè)計要求，則可以考慮不設(shè)計額外的補強結(jié)構(gòu)以節(jié)省機體重量；對位于中、高載荷區(qū)的小開口，開口周圍需要設(shè)計額外的補強結(jié)構(gòu)來承受和傳遞載荷。小開口的補強方法有很多，一般采用簡單且有高結(jié)構(gòu)效率的設(shè)計方案，例如加強板、凸緣、口框等；圖2所示為飛機機身壁板上小開口的典型補強方案。

圖2　飛機機身壁板上小開口的典型補強方案

2　小開口結(jié)構(gòu)的載荷分析與補強設(shè)計

2.1 開口后的載荷分析

一般來說，機身壁板上的小開口結(jié)構(gòu)必須要在蒙皮上開口，有時還因特殊情況要斷開長桁；顯然，機身壁板傳力結(jié)構(gòu)的連續(xù)性將在開口處中斷，而且開口尺寸的大小和斷開長桁的根數(shù)對補強結(jié)構(gòu)的設(shè)計有著直接影響。目前國內(nèi)外現(xiàn)役民用飛機的相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗表明，為了彌補開口對機身壁板傳力連續(xù)性的破壞，一般可以采用兩種方式：一種是在蒙皮開口的周圍布置口框等構(gòu)件，利用口框等構(gòu)件的抗彎曲性能將載荷傳走；另一種是對薄壁結(jié)構(gòu)(機身蒙皮)進行強化(采用加強板、凸緣等)，使開口區(qū)的結(jié)構(gòu)仍然能有效地參與受力和傳載。具體設(shè)計時可根據(jù)實際情況綜合采用上述兩種方法。

本文所討論的小開口結(jié)構(gòu)位于機身壁板上，屬于半硬殼式結(jié)構(gòu)開口，其對飛機的總體受力影響有限，一般在開口周圍進行局部加強即可減輕甚至抵消開口對受力和傳載造成的不利影響。

開口位于蒙皮上時，通常會對蒙皮剪流產(chǎn)生一定的影響。由《飛機設(shè)計手冊》第10冊，結(jié)構(gòu)設(shè)計第242頁的分析可知，機身蒙皮上開口、后開口周圍的應(yīng)力分布會發(fā)生變化，開口的上下左右均得到大于原始剪流的值，而開口的四角區(qū)域內(nèi)均得到小于原始剪流的值。

技 術(shù) 研 究

2.2 典型的補強設(shè)計

現(xiàn)代民用飛機一般都采用薄蒙皮結(jié)構(gòu)，由2.1節(jié)可知蒙皮上的開口將對蒙皮內(nèi)的剪流分布產(chǎn)生影響，為了彌補開口對飛機結(jié)構(gòu)強度及剛度性能造成的不利影響，結(jié)構(gòu)工程師通常會在開口周圍設(shè)計加強板來緊貼蒙皮開口表面。

圖3　蒙皮上的小圓口示意圖

以機身蒙皮上的小尺寸圓形開口為例，探討小開口的影響及其通用的加強原則。此處的小開口設(shè)定為位于半硬殼式機身的兩根縱向桁條之間，直徑不大于桁距的40%，如圖3所示。圓形開口的應(yīng)力集中系數(shù)相對較小，且此處開口的尺寸也相對較小，故其對機身蒙皮剪流的影響也小，只有非常接近開口的部分才會稍微受到載荷重新分布的影響。按經(jīng)驗，此處一般會使用環(huán)形加強板來補強，且加強板的設(shè)計需遵行以下原則：(1)加強板的厚度比蒙皮的厚度大1～2級為宜(每級的厚度可定為0.2 mm)，其材料一般與蒙皮相同即可，在特別關(guān)鍵的區(qū)域也可選用性能更好的材料；(2)加強板的面積不小于開口面積的1.5倍；(3)固定加強板的緊固件必須能承受開口周圍的剪切載荷。以上幾條原則在設(shè)計開口加強板的時候經(jīng)常用到，圖4為加強板的設(shè)計示意圖。

圖4　蒙皮上的環(huán)形加強板設(shè)計示意圖

另外，為提高蒙皮補強區(qū)的穩(wěn)定性及傳載效率，加強板的周邊最好能分別伸到開口邊桁條和邊框下部并與其共鉚；在高載荷區(qū)，尤其是機體的疲勞關(guān)鍵區(qū)，為降低應(yīng)力集中、改善開口區(qū)在增壓艙載荷下的疲勞性能、并保證機身壁板的軸向載荷和蒙皮的剪切載荷能在開口補強區(qū)平穩(wěn)地傳遞，加強板的兩邊(軸向載荷方向上)甚至四邊可設(shè)計成波浪形邊緣；另外，為避免造成蒙皮的剛度突變，進而產(chǎn)生局部硬點破壞，在開口附近的長桁端頭的立邊最好能進行斜削設(shè)計，斜削角(定義為斜削面與長桁軸線的夾角)以30°左右較為合適，如圖5所示。凸緣的設(shè)計思路與加強板相同，一般由材料整體加工而成。

圖5　壁板上小開口處的薄壁強化設(shè)計

3　機身小開口結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求

按照經(jīng)驗，機身壁板上的小開口數(shù)量眾多，每一處開口都會對結(jié)構(gòu)的完整性造成一定的影響，這種影響主要體現(xiàn)在強度方面，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡量將開口布置在載荷較低的位置，以簡化補強結(jié)構(gòu)的設(shè)計、提升機體的效率。

飛機設(shè)計中，一般認為腐蝕和疲勞具有同等的破壞力，且很多疲勞破壞都是由腐蝕引起的，所以飛機結(jié)構(gòu)的防腐蝕設(shè)計很重要；對于機身壁板上的小開口來說，防腐蝕設(shè)計是結(jié)構(gòu)工程師必須要考慮的，尤其是在機身下側(cè)污染物比較容易聚集的部位，現(xiàn)在的民用飛機下半部一般采用底漆加面漆的表面處理方法以對抗環(huán)境腐蝕，在環(huán)境更惡劣的區(qū)域(例如廚房和盥洗室下部)還增加使用防腐蝕抑制劑。

對位于氣密增壓區(qū)的小開口來說，氣密性設(shè)計是很重要的；為保證氣密性，氣密堵件、加強墊板等結(jié)構(gòu)件和蒙皮之間除了貼面密封之外，一般還需要在零件的邊緣進行填角密封。

4　結(jié)論

本文詳細分析和探討了飛機機身壁板上小開口的設(shè)計，從中可發(fā)現(xiàn)，優(yōu)秀的開口設(shè)計對飛機的重量控制、疲勞壽命等方面均有非常積極的作用，其設(shè)計過程需要綜合考慮開口區(qū)域載荷分布、強度、剛度、位置布置、防腐蝕、氣密性等設(shè)計因素。