铰接的特点及其在飞机结构设计中的应用

赵 莉，杨学萌

(中航工业沈飞民用飞机有限责任公司 工程研发中心,沈阳 110013)

铰接的特点及其在飞机结构设计中的应用

赵 莉，杨学萌

(中航工业沈飞民用飞机有限责任公司 工程研发中心,沈阳 110013)

以铰接为主要对象，研究铰接的特点及其在飞机结构设计中的应用。介绍了铰接的原理及假设理想铰接的意义和方法，分别对飞机主起落架、机身中部地板梁、翼身整流罩拉杆设计中采用的典型铰接结构进行了力学模拟简化，分析了铰接对结构之间传力模式转化起到的作用和对结构刚度设计的影响。说明铰接可以使结构部件之间获得较好的柔性连接，避免关键结构承受有害载荷，在飞机结构中应对结构连接进行合理设计，以提高结构效率。

铰接；飞机结构；设计应用；简化模型；受力

飞机结构是由若干个零部件通过各种形式连接在一起的组合式结构，结构之间通过连接进行力的传递、载荷的转化，实现结构的承载功能。随着航空科学技术的发展以及飞机综合性能需求的不断提高，更高的可靠性[1-2]、长寿命、高出勤率和低维修成本的综合要求已成为现代飞机结构设计重要且必须遵循的准则。如通过设计短而多途径的传力系统布局和止裂结构实现损伤容限、破损安全要求；加强对应急着陆、坠撞等过载工况的考虑，结构上充分保护座舱人员和避免燃油泄露；考虑避免对会造成灾难性破坏的结构施加集中力载荷等。这些对飞机结构涉及到的各种不同刚度问题分别提出了不同要求，需要通过一定的结构布局和连接形式得以实现和改善。本文通过对飞机结构中使用的铰接案例进行分析，说明其在结构中的利用和起到的作用。

1 铰接介绍及特点

铰接是结构之间连接的一种力学形式，结构表达就是使用“铰”结构进行的连接，如铰链，耳片，轴承等。在工程概念中，“铰”是相对“刚”而言，铰接相对于刚性连接称为铰性连接或是柔性连接。结构之间的连接形式通常包括铰性连接、半刚性连接和刚性连接，结构之间的连接可以看作理想的铰接或完全的刚接两种连接形式。理想铰接结构认为是在外力作用下，轴线夹角的改变量达到理想铰接的80%以上。也就是说，作为铰接的节点其特性可以是不完全的铰接，只要节点处的抗弯刚度远低于元件本身的抗弯刚度也可视为铰接。因此，铰接的结构的特点在结构变形上，限制了在连接结点处的相对平动，但不限制其转动；在受力上，结构之间没有弯矩的传递，只传递剪力。

2 飞机结构常见铰接

在飞机结构中铰接一般应用于活动部件，升降舵、方向舵、副翼、襟翼、起落架、舱门、扰流板、维护口盖等和飞机主结构铰接连接的部件。图1为机身货舱门铰链结构，图2为襟翼活动面铰接结构。

图1 铰链式货舱门

3 理想铰接的简化

飞机结构分析过程中，由于元件之间的连接关系复杂、静不定度高，载荷通过铰接零件之间的接触、挤压、摩擦等方式传递，载荷-位移关系具有明显的非线性特点，即随着铰链结构参数的变化，铰接结构力学特征将发生很大的变化，其铰接刚度是非线性的。铰接结构的响应在一定情况下可能出现多值现象，给分析受力带来很大不便，甚至无法计算。对于这类铰接结构一般需要进行非线性模态分析[3]和试验验证。

图2 襟翼铰接活动面

在结构设计初期需要对具体结构进行一定简化和理想化[4]的处理，实际结构中所采用的铆接、螺接或焊接等连接方式，按其受力及构造特点简化为理想铰接、滑铰或刚接等。例如机身长桁可以按杆系结构中的桁架结构来分析，假定杆与杆之间是通过理想铰链节点连接在一起，如图3所示。这一假设的力学含义是，这种形式的结构在铰接节点处的弯曲力矩很小，可以略去不计，即长桁只承受沿杆的轴线作用并施加在杆两端的集中力[5]。

图3 机身长桁简化

4 铰接在飞机结构改进中的应用

在结构设计过程中，需要明确结构的主承力件以及关键件，装配过程也要识别具有关键特性[5-6]的关键控制零件。设计同时考虑传力方式和总体传力路线、损伤容限/破损安全、疲劳，以及维修维护问题。经对比研究发现，随着技术的发展和设计思想的变更，现代飞机在早期飞机的基础上对主起落架、地板梁、整流罩的连接结构都进行了改进，其中最为显著的就是都将与机身相连的固接改为了接头连杆或接头耳片结构即铰接结构，说明在现代飞机结构中铰接的应用已经成为解决结构连接问题必不可少的一种方式。下面对这些比较重要结构部件的铰接进行说明和分析。

4.1 主起落架连接结构

主起落架[7-8]位于外翼中部下方，承受并传递着陆载荷。起落架上的载荷通过主起梁的弯曲传至梁两端，再传到机身和机翼上。对于主起梁两端的连接，波音737、757及以后型号的飞机都采用单销铰接接头，主起梁和机翼后梁相连的两个稳定杆两端也同时使用铰接接头，在与机身框连接端设置一个摆杆，结构形式[9]见图4，主起梁连接简化模型见图5。这样的布置简化了梁两端的受力，便于梁的安装和拆卸，避免主起梁偏转引起稳定杆端头的弯矩。如果两端固接会导致主起梁参与机翼总体受力[10]，机翼机身相对变形对主起落架接头产生载荷，对梁的受力要求较高，机翼疲劳问题会相对严重。除此，固接接头耳片与螺钉连接变形复杂，甚至会超出材料的弹性区而进入塑性区，材料承载能力将有所下降，其承载能力将转移到其临近的材料上。螺栓在剪力、轴力和弯矩的综合作用下，发生接触进入塑性的材料区域，成为薄弱部位[11]。

图4 外翼主起落架连接结构

4.2 地板纵梁支持结构

地板纵梁是客舱地板、座椅的主要承力构件，保护乘员的安全。在前后机身舱段，地板纵梁通过地板立柱、横梁构成支撑结构。位于机身中部机舱段地板纵梁，下部通过腹板梁与中央翼盒相连，如图6。对于地板纵梁与腹板梁之间的连接，空客A320使用连杆设计(见图6)。这种结构形式不仅对中央翼盒上翼面起到了维形、对地板纵梁的支撑作用，同时避免了地板纵梁承受外翼产生的弯矩，不会对客舱地板结构产生有害影响。而且简化了地板纵梁的受力形式，其简化模型和限元模型见图7、8。

图5 外翼主起落架简化受力模型

图6 中央翼盒上方地板纵梁支持结构

图7 地板纵梁简化受力模型

图8 地板纵梁有限元模型

4.3 座椅滑轨连接结构

铰接也可用于座椅滑轨的纵向连接，特别在机身中间部段，为了避免中部地板梁将翼盒载荷传到前后机身产生不良过载，通常采用耳片接头[4](如图9)。耳片接头只承受轴向、横向或斜向外载荷，不承受弯矩，也称剪切型耳片[12]，可理想化为铰接。如图10为地板梁受力简化模型，两端铰接接头简化为铰支节点。通常耳片设计往往偏于安全，往往在重量上超过固接结构，可以根据结构空间及重量的限制，适当减小耳片结构尺寸，以不至于相比固接增重过多。

图9 地板梁纵向连接结构

图10 地板纵梁铰接简化受力模型

4.4 翼身整流罩拉杆结构

翼身整流罩用以改善机身气动外形，整流罩通过支撑结构和接头与机身连接。整流罩属于非增压区，整流罩作为次承力结构，要减少参与机身结构的传力，主要承受外部气动载荷以及机身承受向前9 g、侧向3 g载荷[12]。以下对整流罩内部支撑结构的腹板梁固接和拉杆铰接进行对比分析。

(1)腹板梁作为支撑结构的固接方式

腹板梁占据更多整流罩内部空间，导致系统布置空间狭小，使装配协调以及维修维护困难；支撑结构直接承受机身向前9 g、侧向3 g载荷转化过来的力和力矩，会使支撑结构另一端的骨架和整流罩提前产生裂纹损伤和破坏[13]。

(2)拉杆接头作为支撑结构的铰接方式(如图11)

拉杆细小，增大了整流罩内部空间易于较大系统布置，使装配协调以及维修维护更加容易；拉杆通过接头与机身铰连接，只承受拉压应力，不承受机身弯矩和扭矩，拉杆另一端的骨架和整流罩不会过早产生裂纹损伤和破坏；在强度计算和受力分析过程中简化了主、次结构件的受力模式和分析过程，见图12。缺点是机身过载不能传给支撑拉杆，这部分过载只能由机身来承担，所以在与支撑接头相连的位置要进行加强，导致机身增重。但这样的设计反而会带来支撑拉杆另一端整流罩及框架结构的减重。

对于载荷较小的部分，斜拉杆是结构效率转高的形式；在有系统管路通过的部位，推荐使用带减轻孔腹板形式[14]。

图11 整流罩拉杆连接

图12 整流罩拉杆简化受力模型

5 结 论

以前的研究证实，具有更大伸展尺寸、更低质量/展开体积比、更高展开形状精度的设计，铰接是主要发展方向[15]。本文认为，关系到飞机及乘客安全的较大承力部件，也是铰接是主要发展方向。飞机结构之间的连接方式对满足结构特性和载荷传递起着重要作用，铰接作为连接方式的一种，可以有效减少承力构件应力集中，将带有危害性的载荷进行转化或转移，提高机体结构疲劳寿命。虽然铰接相对固接会造成主承受构件局部增重，但减轻了次承力构件的重量，降低了次承力构件受力和提早产生裂纹的风险，可以满足相关结构的民用飞机安全性设计要求。

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(责任编辑：吴萍 英文审校：刘红江)

Characteristicsofhingedjointsandtheirapplicationsinaircraftstructuredesign

ZHAO Li，YANG Xue-meng

(The Research & Development Center,AVIC SAC Commercial Aircraft Company LTD.,Shenyang 110013,China)

The paper focuses on the characteristics of hinged joints and their application in aircraft structure designs.The principle of hinged joints and the significance and methods of assuming ideal hinged joints are introduced.The typical hinged structures of the main landing gear,the floor beam in the middle of the fuselage,the wing-body fairing rod used in the design of mechanical simulation are simplified.The roles of hinged joints in the power transmission mode conversion to structures and the influences on structural stiffness design are analyzed.The results show that hinged joints can connect the structural elements flexibly and prevent the key structure from harmful load.The reasonable design of the structural joints in the aircraft structure should be considered in order to improve the efficiency of the structure.

hinged joint;aircraft structure;soft link;simplify model;stress

2014-02-15

赵莉(1979-)，女，辽宁沈阳人，工程师，主要研究方向:飞机结构设计，E-mail:zhao.li@sacc.com.cn。

2095-1248(2014)04-0070-05

V211

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.04.014