民用飞机中后机身壁板结构设计分析

马文博 余 康上海飞机设计研究院结构设计研究部马文博（1983-）男，辽宁鞍山，硕士研究生，工程师，飞机结构设计。



民用飞机中后机身壁板结构设计分析

马文博 余 康
上海飞机设计研究院结构设计研究部
马文博（1983-）男，辽宁鞍山，硕士研究生，工程师，飞机结构设计。

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重量是衡量飞机设计的重要指标之一，而壁板在民用飞机机身重量中占比很大，壁板设计尤为重要。本文以使用新型铝锂合金材料的某型号飞机中后机身壁板为例，研究其结构特点和设计的关键点，对民用飞机壁板的设计提供一定的依据和参考。

民用飞机机身结构中最大的结构单元是壁板（蒙皮和长桁），也是受力最严重的结构件，承受着机身弯曲、剪切、扭转载荷以及座舱压力等所有主要的载荷作用。机身的大部分载荷都要通过壁板来传递，因此壁板的受力形式复杂，不同的部位考虑不同的设计情况。

对于民用飞机来说，重量是衡量设计的重要指标，而壁板在机身结构重量中所占比例很大，壁板的设计尤为重要。本文以某型号飞机中后机身壁板为例，研究其结构特点和设计的关键点，介绍了新型材料铝锂合金的应用，对民用飞机机身壁板的设计进行分析探讨和研究。

结构布置

按照总体布局，某型号飞机中后机身位于主起落架舱后气密端框与球面框之间，全长约12.7m，前部约5m为单曲率外形的等直段，其余为双曲率外形的收缩段，整个中后机身全部处于气密增压区。

蒙皮分块

机身壁板设计时，从理论上壁板应该是完整的，这是最有效且重量轻、连接少的结构形式。但由于材料蒙皮毛料尺寸、工厂制造加工能力等限制因素，无法制造出足够长度和宽度的蒙皮，因此需要对蒙皮分块，再机械连接形成筒段，形成机身壁板结构。

某型号飞机中后机身壁板采用典型的金属薄壁结构，主要由蒙皮、长桁、接头和开口加强件等构成。共设计了2个工艺分离面，蒙皮纵向、横向分块，减小单块蒙皮的设计尺寸以提高蒙皮零件的可制造性，蒙皮通过机械连接的形式，形成中后机身筒段，图1所示为蒙皮分块概貌。

图1 蒙皮分块概貌

长桁布置

根据机身受载特点，上部壁板主要为拉伸疲劳问题，下部壁板为受压稳定性问题，侧下部为压剪复合。布置长桁时考虑纵向构件的综合、有效利用，提高桶体的结构效率，尽可能降低结构重量。在核定关键长桁位置的前提下适当均布长桁，上部长桁间距适当大一些，侧面、下部长桁间距相对小一些。

长桁布置原则如下：

a） 为便于系统设备的安装，机身顶部上零纵位置不布置长桁，顶部长桁的间距应能满足开口及开口加强结构的空间要求；b） 为便于窗框结构设计要求，根据总体确定的观察窗位置和可视面积要求布置窗框上下两侧的长桁；c） 为便于客舱地板的连接，沿客舱地板平面布置一水平长桁；d）中后机身底部与中机身对接处，为机身受压最严重区域，长桁与中机身龙骨梁一致，以利于纵向载荷的传递；e） 蒙皮纵向对缝处的长桁应保持连续；f） 收缩段长桁最小间距应能使剪切角片与蒙皮至少连接2个紧固件；g） 因零件制造要求，收缩段长桁截面扭转角不大于15°。

材料选用

结构重量对于飞机来说是一个非常重要的参数，使用新型轻质材料尤为必要。壁板在机身重量中所占比例很大，如某型号飞机中后机身，壁板占据了整个中后机身结构重量的45%左右。

铝锂合金是一种新型合金材料，具有密度低，比强度和比刚度高，以及裂纹扩展速率较低等特点。新型铝锂合金材料较常规航空铝合金（2000、7000系列）平均密度低约3%，但弹性模量却高5%～8%，铝锂合金适用于有高强度和低密度需要的飞机结构件，在蒙皮和长桁上使用铝锂合金材料将显著提升机体的结构效率，减轻重量。

由于新材料制造工艺性及使用本身存在的风险性，中后机身壁板采用新材料与常规航空铝合金材料相结合的设计方案。单曲蒙皮和长桁采用铝锂合金，双曲蒙皮仍采用常规铝合金，具体见表1。

表1 中后机身壁板材料选用

壁板结构设计

以某型号中后机身前段的侧壁板、下壁板为典型，对其结构设计和特点进行分析。

蒙皮

因机身剖面上不同部位，蒙皮板受载情况不同，设计时需考虑的侧重点也不同。上部蒙皮主要承受拉剪载荷，主要考虑疲劳问题；侧下部蒙皮主要承受压剪复合载荷，下部蒙皮主要承受压缩载荷，主要考虑压缩稳定性问题。应根据载荷情况来设计蒙皮厚度，以达到最佳的设计目标。

先根据增压载荷下蒙皮的环向应力，初步得到蒙皮的最小厚度。

图2 典型纵向搭接

图3 腐蚀区域划分

根据公式：

式中：

σ—— 蒙皮环同应力，Mpa；

P—— 增压舱使用压差，N；

R—— 机身半径，mm；

t—— 蒙皮厚度，mm。

在保证最小厚度基础上，根据经验并结合蒙皮各部位的受载情况，给出初始的蒙皮厚度，再根据多轮全机载荷下有限元计算的裕度结果反复迭代，最终得到优的蒙皮厚度。

按等应力设计原则，同一块蒙皮厚度分布应与有限元计算的应力云图的趋势相近，与裕度结果相对应。但因考虑到紧固件锪窝最小深度的限制，框剪切角片等连接区域蒙皮厚度不小于1.6mm。

在舱门开口区域，因机身蒙皮不连续造成应力集中现象，设计时在开口周边蒙皮加厚，按应力远离开口区域厚度逐级递减。

长桁

长桁是机身受弯曲时，传递纵向载荷的主要承力构件，为蒙皮提供纵向支撑，能加强蒙皮的刚度和稳定性。

中后机身长桁基本型使用截面为“2”字形的铝锂合金挤压型材。因长桁与蒙皮连接，故外形与蒙皮一致同样是双曲率，中后机身收缩段的长桁会有扭转角。蒙皮纵向搭接区的长桁设计为“L”形截面，空间开敞性好，便于蒙皮纵向对缝处长桁两侧的铆接。客舱地板处长桁为“J”字形截面，因与地板面板连接，长桁立边为平面，不随着机身外形变化而改变。机身底部与龙骨梁对应区域，使用的承载能力较强的“T”字形截面长桁。

长桁厚度设计应根据机身截面不同部位受载特点、大小以及与蒙皮厚度的匹配来确定。上部长桁主要承受拉伸载荷，取与蒙皮匹配的基本厚度。越靠近机身下部受压载荷越大，沿着环向长桁逐步加厚，机身最下端为受压最严重区域，长桁最厚。

下壁板采用长桁分段设计方式实现减重。如机身下部与中机身对接的区域载荷较大，长桁厚度较厚，但随着远离对接区应力下降明显，因此通过型材机加减小剖面或打断长桁，使用对接接头与厚度较小的长桁对接，能有效减少长桁的重量。

连接

横向对接

壁板采用横向对接的形式。在蒙皮分段处，使用对接带板连接前、后段蒙皮，保持结构连续性。对于蒙皮分块处的长桁，在受压区一般打断长桁，再通过对接接头连接，传递纵向载荷；在受拉区或载荷较小区域，工艺条件允许的情况也可不断长桁，通过长桁压下陷的方式直接通过对接带板，以减少接头数量减轻重量。但在工艺分离面处，长桁均打断，便于装配。对接带板上紧固件的数量4排或6排，根据相应位置载荷大小和紧固件大小，通过计算确定。

中后机身对接带板的宽度由紧固件大小和排数确定，厚度一般比连接区蒙皮厚1级，这样可以使裂纹首先发生于外蒙皮上，利于检查发现和维修，并限制裂纹扩展。

长桁对接接头一般选用比长桁强度高的铝合金材料，基本厚度与长桁相近或厚1级。对接接头设计成变厚度的台阶形式，使载荷均匀传递，紧固件应力均匀分布。长桁接头两端切出30°～45°的斜角，一方面可降低钉孔的应力集中系数，另一方面可以降低两端第1个紧固件的应力峰值，提高疲劳性能。

纵向搭接

蒙皮纵向采用“上搭下”的连接结构形式，蒙皮搭接区域上平面局部修形，在隔框站位处布置止裂板。搭接区沿航向布置3排紧固件，在搭接区中央布置一根“L”形挤压型材。搭接区每个框站位处均布置的薄钛合金止裂板，起到限制蒙皮裂纹扩展的作用，能够阻止20～40inch长的裂纹扩展。搭接处的三角区间隙通过铝合金斜垫片来补偿。

腐蚀防护

民用飞机中后机身侧壁板、下壁板位于底舱区域，是机身腐蚀最严重区域，飞机各个舱段排出的水聚集于此，使这些结构呈现出较高的腐蚀风险。一般情况，民用飞机外表面分区及腐蚀程度划分定义见图3。

客舱地板与货舱地板之间，侧壁板为中度腐蚀区域，货舱地板以下区域，下壁板为重度腐蚀区域。机身结构防腐蚀设计涉及多方面，本文主要探讨排水、表面防护和密封。

1）排水。排水设计应当保证腐蚀液体可以直接排到飞机以外，或者聚集在抗腐蚀容器中，待到飞机着陆以后处置。由于冷凝结构元件上形成的少量腐蚀水应当通过排水通路排到飞机底部（舱底），路径越短越好。

设计壁板时每相邻框距内，地板以下的长桁上交错设置排水孔，便于聚集的液体通过，将侧部液体引流到机身下部，再通过机身底部的排水阀排出机身。

2）表面防护。针对不同的区域，采取不同的防腐蚀策略，轻度腐蚀区域采取一般的保护等级，中度腐蚀区域的零件采用两层底漆涂层或一层底漆加一层面漆；严重腐蚀区域的所有零件除底漆外，应当至少一层面漆覆盖底漆，然后增涂防腐蚀抑制剂。水平线之下的铝合金零件，需进行铬酸阳极化。

3）密封：a）穿过气密线的零件表面均做贴合面密封和填角密封；b）长桁与蒙皮贴合的下陷过渡区，做填塞密封；c） 紧固件湿安装：除可拆卸及单独指定安装要求的紧固件外，所有非铝紧固件以及穿过气密线的全部紧固件（如铆钉、高锁螺栓，环槽钉等），均按进行湿安装；d） 填角密封：填角密封即使用密封剂填充到处于压力边界线上的空腔、间隙等处。同样，对于贴合面密封的接头，填角密封应当用于到仅仅通向外部的蒙皮搭接、拼接等。

总结

本文以某型号中后机身壁板为例，从壁板材料选用、结构布置、结构设计和腐蚀防护方面，进行进行了较为详细深入的研究和总结，对民用飞机壁板的设计提供一定的依据和参考。

中后机身壁板通过增加设计分离面，实现了新材料铝锂合金和成熟的航空铝合金相结合的方案，既使用铝锂合金材料提高了机体效率，实现减重，又在一定程度上降低了项目风险。

10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.033