基于DFX的民用飞机翼身整流罩设计

罗贵骞

（中航沈飞民用飞机有限责任公司，沈阳 110100）

0 引言

飞机设计是一项高度复杂、涉及多个专业领域的系统工程。在飞机设计过程中，设计人员除了首先要满足结构强度、刚度、界面协调、材料、质量等基本的性能要求，还要考虑系统设备的安装、零件制造工艺性、装配工艺性、维护及修理、质量保证、成本、项目进度等方面的因素。为了得到更优化的结构方案，设计人员需要将众多要求、考虑因素、技术参数综合分析、权衡，于是形成了面向产品生命周期各环节的设计理念，即DFX（Design For X）理念。

1 DFX设计理念概念及意义

DFX是“Design For X”的简称，指面向产品全生命周期的设计，这里的“X”是指产品全生命周期中的任一环节，比如制造、装配、维修等[1]。每一个环节都是DFX的一个分支，也可以用代表产品竞争力或决定产品竞争力的因素作为DFX的一个分支。

DFX设计理念主要的分支如下[2]：1）面向制造的设计（DFM）；2）面向装配的设计（DFA）；3）面向质量的设计（DFQ）；4）面向检验的设计（DFI）；5）面向维修的设计（DFS）；6）面向环境的设计（DFE）；7）面向回收的设计（DFR）；8）面向成本的设计（DFC）。

DFX本身是一种设计理念，在产品概念设计和详细设计阶段就充分考虑产品生命周期中各个环节的要求，将其他要求反映到产品设计方案中，不断地对设计方案进行评估，尽可能地提前发现并解决问题，从而保证产品以较低的成本、较高的质量和较短的产品开发、制造周期交付至客户手中。

综上所述，运用DFX设计理念，能够全方位、多维度地对翼身整流罩进行设计，保证最终方案全面地满足各方面的设计要求。

2 翼身整流罩的结构方案

翼身整流罩是指包覆机翼与机身之间连接部位的壳体结构，起气动外形整流和为各类系统提供相对封闭的安装和运行空间的作用。翼身整流罩通常由框架和壁板组成，通过拉杆和边条连接于机身下部，内部容纳的系统包括环控系统、燃油系统、增压系统、液压系统等。翼身整流罩的设计需要与各相关系统协调进行，基于系统安装和检修的要求对壁板进行分块和布置开口，包括不同用途的维修口盖、快卸门等，框架在必要时会对一些系统提供次要的连接支持。

图1 翼身整流罩结构

通常在概念设计阶段，翼身整流罩左右各布置3根纵梁，同时每2个框距布置1个框，为方便与机身协调，翼身整流罩框站位与机身框站位相同。拉杆用于将翼身整流罩框架连接于机身上，在翼身整流罩一侧优先连接于框梁交汇处，在拉杆数量不足时，再选择在未交汇的位置布置连接点。拉杆在机身一侧连接于框外缘条或纵向件上。边条用于翼身整流罩壁板与机身的连接，使用螺栓连接并固定于机身壁板之上，边条与翼身整流罩则使用托板螺母，保证整流罩壁板方便拆卸。

翼身整流罩虽为次承力结构，但其处于机身下部且需要与机身、外翼翼盒、中央翼盒、系统设备等众多界面进行协调，根据DFX设计理论，翼身整流罩在满足结构刚度、强度要求的情况下，还需要面向制造、装配、维修、成本等环节进行设计[3]，需要控制结构腐蚀、提高制造装配工艺性、协调多个系统设备的布置，同时保证结构及系统的维护性。

3 面向制造的设计（DFM）

3.1 框梁

通常情况下，翼身整流罩框梁内缘条除在框梁交汇处彼此连接以外，没有其他配合要求，所以内缘条可设计成与腹板垂直的直纹面，以减少闭角情况，只在框梁交汇处局部修形以安装连接角片。

除特殊要求以外，框梁等机加件应尽量选取统一的转角半径，限制不同转角半径的数量，以减少加工工序和刀具的更换次数[4]。

3.2 壁板

翼身整流罩位于非承压区，壁板主要承受气动载荷，为保证刚度同时质量最轻，翼身整流罩壁板通常采用蜂窝夹芯结构，面板采用织物形式的碳纤维或玻璃纤维。

图2 框梁内缘条配合

在进行壁板细节设计时，应控制蜂窝高度，避免成型时压塌，蜂窝顶部、侧部边缘做圆角防止蜂窝芯和预浸料发生褶皱[5]，蜂窝斜削角控制在25°左右。

设计壁板分块时，除满足系统设备布置要求，还要考虑单块壁板的几何尺寸或者形状要符合复材制造能力，不能有碍进罐和吹风。如图3所示的壁板，当尺寸过大，只能沿Y方向推入热压罐时，壁板沿Y方向的弯曲将阻碍进风，影响加热效率，所以该壁板需进一步分块。

图3 壁板需进一步分块

4 面向装配的设计（DFA）

翼身整流罩从面向装配的设计角度，应做到[6]：1）将相似的零件设计成一个零件，尽量减少同类零件数量；2）减少紧固件数量和类型；3）避免零件装配过程中发生干涉；4）考虑与机身的装配是否可达；5）考虑空间是否满足常规工具的使用；6）考虑装配过程是否需要辅助工具，为辅助工具提供额外空间；7）进行容差分析，给出合理的基准和零件公差要求。

5 面向维修的设计（DFS）

面向维修的设计是以满足用户需求为前提，提高产品的维修性，使得产品能以最小的维修资源（维修时间、维修人力、维修费用、维修设备等）消耗获得最大的可用性的设计理念[7]。A380飞机就是基于面向维修的设计理念，提出了要保证不需要有别于现有飞机的特殊维修技巧的设计要求[8]。

民用飞机翼身整流罩在面向维修进行设计时，需关注如下几点：

1）检修门/口盖的位置及尺寸。检修门/口盖的位置必须保证检修人员能够方便地观察或操作系统设备，如果要求检修人员部分身体进入整流罩检修，则门/口盖的尺寸必须满足要求且不会发生剐蹭。为达到上述要求，设计阶段需利用人机工程分析技术进行模拟验证。

2）单块壁板质量。对于整流罩壁板受石子撞击损坏维修问题，以及系统设备维修时可能需要拆卸壁板的情况，设计人员在壁板分块设计时还需控制单块壁板质量。例如A220飞机翼身整流罩设计要求中，规定了单块壁板最大质量不应超过36.287 kg（80 lb），以便于两人进行维护。

6 面向成本的设计（DFC）

面向成本的设计是将已有设计方案不断改进的行为，设计人员需要不断地思考可能降低现有成本的方案。为了切实得到实现相同功能的低成本方案，设计人员使用检查单不断进行自查是行之有效的方法。

表1所示为利用设计经验总结归纳的面向成本设计检查单。

表1 面向成本设计检查单

依据此检查单对民用飞机翼身整流罩结构进行检查，可以得到以下关注点：

1）框梁骨架。整流罩属于次承力结构，框梁可以选择简单易加工的结构形式。除了机加以外，在载荷水平低、曲率变化小的位置的框梁可采用钣金件或钣金件与型材件的组合件来降低材料浪费和提高批产能力。

2）材料。包括框梁、支座在内的金属结构可优先选用常规、易采购的材料。

3）拉杆支座。可以设计独立的拉杆支座连接于框梁之上，避免将拉杆支座与框梁一体机加，避免维修困难。

4）充分利用IPDT团队（联合设计团队）进行翼身整流罩设计，及时接收各专业需求，避免无效的设计方案导致返工。

5）多利用模拟仿真技术进行分析，例如分析进气管、排气管的挡板等运动机构，提前发现干涉或行程问题，避免在实物产品试验时发生简单错误。

6）避免使用专用维修工具[9]。

7 面向系统安装的结构布置设计

翼身整流罩的作用之一就是包裹系统设备，为其提供安装和运行空间，系统设备布置方案对结构布置方案有重要影响，所以翼身整流罩在进行结构布置设计时必须面向系统安装的需求，否则会导致设计反复，比如框梁间距过小，无法在其间安装设备或开口；框梁高度过高，导致与设备管路干涉等问题。

基于上述因素，翼身整流罩框梁布置时应尽早引入系统布置输入，保证框梁位置整体合理，避免分段移动后，框梁不连续的区域过多，降低载荷传递效率。

结构专业人员需要尽早从系统专业人员获取以下信息：1）翼身整流罩内将要布置哪些设备；2）系统设备布置位置（可预计）；3）哪些设备需要整流罩开口；4）设备检修频率；5）设备的尺寸（可估值）或包络体；6）设备对应的活动门（如RAT门、排气管挡板）的驱动器是否安装于翼身整流罩骨架上。

8 DFX各分支的设计权衡

虽然翼身整流罩可以做到面向DFX的多个分支进行设计，但各分支的设计要求和得到的方案并不是孤立存在的，它们可能是相互促进的，也可能是相互制约的关系，举例如下：

1）DFA与DFM的关联。通过容差分析给出合理的公差值，可能降低零件的加工难度。

2）DFA与DFM的制约。零件合并减少了零件数量，提高了装配效率，但可能也同时增加了零件制造难度。

3）DFS与DFA的制约。出于维修考虑，翼身整流罩按质量分成更多小块的壁板，但增加了零件数量，降低了装配效率。出于维修可达考虑，翼身整流罩加大了门/口盖的开口尺寸，但可能削弱结构的强度、刚度。

4）DFC与其他分支的制约。出于成本考虑，更换的零件材料可能在相同结构尺寸情况下，性能有一定降低，而为保持同等性能可能导致尺寸增大，质量上升。出于成本考虑减少了紧固件种类和规格，但可能导致部分结构加宽以适应更大的直径，导致质量上升。

以上举例充分说明了飞机设计是一个权衡的结果，要得到满足各方面要求的设计方案，必须形成IPDT团队，利用权衡分析，提出多个备选方案，进行详细、量化的对比，在整体上做到平衡[10]。

9 结论

本研究采用DFX设计理论，论述了CR929飞机翼身整流罩从DFX的多个分支下的细节设计举措，得到如下结论：1）在面向制造的设计时，要关注框梁外缘条、转角半径、壁板分块尺寸等参数，边条采用3D打印成型技术；2）在面向装配的设计时，要减少同类零件数量和进行容差分析等举措；3）在面向维修的设计时，要关注检修门/口盖位置和尺寸、单块壁板质量及托板螺母数量；4）在面向成本的设计时，要利用检查单不断进行自查；5）在面向系统安装的设计时，结构布置阶段应尽早引入系统布置输入，保证框梁位置整体合理，避免降低载荷传递效率；6）设计环节可以针对DFX的多个分支进行设计，但各分支处于相互依存、相互制约的状态，设计要做到整体的权衡。