典型盒型承压结构设计与分析

薛 斌

（中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海 201210）

典型盒型承压结构设计与分析

薛 斌

（中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海 201210）

龙骨梁为飞机结构中重要的纵向加强件，主要承受压缩载荷。国内外对此结构的设计思路多种多样，但基本以盒型结构作为主要承载单元。针对飞机龙骨梁中常见的两类典型盒型结构，从受压屈曲模态、应力分布两个方面，利用ABAQUS分析了两种筋条-蒙皮材料分配比例盒型结构的设计特点，以期能够对盒段结构的细节设计过程起到帮助。关键词：盒型结构；承载特点；有限元分析

龙骨梁是机身中部与机翼相连处重要的纵向加强件，为机身中部起落架舱和中央翼大开口提供开口补强。对于大多数下单翼飞机而言，龙骨梁主要承受压缩载荷。载荷的来源包括龙骨梁侧壁板承剪的方式转化中央翼盒扭矩、后机身重力以及水平安定面产生的俯仰平衡力矩。对于部分宽体飞机（如波音787），龙骨梁还承担了由剪切板转换成为压缩载荷的后机身垂直方向剪力。

受到结构形式、飞机设计思想继承性以及工艺水平等多方面的影响，龙骨梁的结构设计思路也有很大不同。空中客车系列的飞机的龙骨梁（后称A型）采用了刚度相对较低的纵向筋条配合较强的壁板蒙皮组成盒形结构承受压缩载荷。以麦道-82/90为例（后称B型），主要通过刚度很高的主筋条配合各个方向防止失稳的支撑件，确保其能承受较高的应力水平。盒段结构的设计需要考虑减轻重量和具体制造过程所需的施工空间，在壁板的适当位置布置开孔。

龙骨梁结构贯穿整个中央翼、起落架舱区域，并向前后机身延伸，从位置上可以划分为中央翼段、起落架舱内段和前后延伸段。其中，对于大多数龙骨梁结构而言，起落架舱内段主要承受压缩载荷，本文即针对该区域进行分析。在工程中，为取得计算精度与效率的平衡，主要采用板-杆结构通过结构力学或有限元建模的方式进行分析和校核[1-2]。由于该两类模型相对实际结构简化过程的存在，导致其对细节分析能力较弱。本文采用ABAQUS中广泛使用的4R壳单元和B31梁单元[3]建立细化模型，以期获得更详细和全面的分析。

1 A型盒段模型的建立与分析

1.1 模型描述

A类模型包括上盖板、左右侧壁板、底部壁板和中间隔板。在上盖板上布置有4根缘条，在底部壁板上布置有5根缘条。龙骨梁的上盖板、侧腹板、下蒙皮材料为7475-T351，缘条材料为7150-T7751，隔板材料为7050-T7451。为了避免端部效应的干扰，分别向前/后延伸两格用以施加载荷与位移边界条件。有限元单元的选择方面，使用壳单元模拟壁板蒙皮、梁单元模拟上下壁板加强筋。其中，梁单元的截面尺寸与实际尺寸相同，蒙皮尺寸选取未加强部分厚度进行计算。为了方便计算和分析，对实体模型进行了简化，图1为显示材料厚度及筋条截面后，A型龙骨梁所采用的盒段结构的有限元模型。

图1 A型盒段模型截面

边界条件方面，加载端建立参考点，与加载端部边缘所有节点绑定，施加压缩方向上的单位载荷。约束除加载方向以外加载端边缘的其他方向自由度。支持端约束全部边缘的各个自由度。两侧由分析对象所在格段分别延伸两段以消除端部效应的影响。如图2所示。

图2 有限元网格划分

有限元单元包括S4R壳单元和B31梁单元，整个模型包括54051个单元和56690个节点。模型输出壳单元和梁单元的应变、应力及位移数据用于比对。计算过程使用ABAQUS线性摄动步进行屈曲模态和特征值计算，静态加载过程进行线性压缩段应力和应变分布的模拟。为研究减重孔影响，同时建立不含减重孔的盒段模型，进行比较。

1.2 计算结果分析

（1）稳定性分析

为研究减重孔对于盒段结构发生失稳的载荷、模态产生的影响，本文首先计算了盒段的屈曲模态与屈曲特征值。表1为分析段屈曲模态及对应特征值。

根据表1可知，减重孔的存在，大幅改变了盒段结构出现局部屈曲的位置和特征值。对于不含开口的盒段结构，由于蒙皮受到四个边界上的约束，上壁板两根长桁间蒙皮中部发生局部失稳。虽然特征值较高，但蒙皮失稳范围较大，一旦发生失稳，可能会直接影响结构的承载能力。对于含有减重孔盒段结构而言，上壁板中部加强长桁位于开口边缘的位置成为失稳危险位置。

表1 减重孔对屈曲模态影响

根据屈曲变形的位移云图（见图 3），可以看出该区域蒙皮开口削弱了蒙皮对于筋条的支持作用，筋条在面内和面外方向均较易产生失稳，承载能力降低。因而，对于该类含有较厚壁板的盒段结构而言，开口周边的补强，不仅要考虑壁板本身的强度校核，应当同时考虑开口加强件具体形式对于筋条的支持。

图3 局部屈曲位置梁单元位移云图

（2）面内应力计算分析

应力分布的分析计算工具采用ABAQUS进行，为了避免端部效应影响分析，如第2节（用序号代替）1.1节中所述，选取中部分析段进行研究。由于本文所述模型壁板较厚，在承担剪切应力的同时将分担部分长度方向轴力。本节中，输出模型壳单元的面内主应力以及剪切应力，并表示其具体位置。用以分析减重孔对于模型应力分布的影响。

由表2可以看出，未开孔模型的最大剪切应力出现于中部横向隔板与长桁交接位置处。隔板连接位置处由于隔板刚度较高，主要依靠长桁进行承载。而隔板中部蒙皮刚度较高，参与承受压缩应力。因而，此处的壁板蒙皮通过剪切的方式自壁板详蒙皮传递载荷。从而形成了高应力区域。

表2 减重孔对于应力分布影响

对于含有减重开孔的盒段结构而言，由于壁板中部蒙皮开孔的削弱，蒙皮壁板较少参与承受压缩应力，因而连接位置处剪切应力水平较低。剪切载荷危险点出现于开孔对角线位置处。

面内主应力方面，与上述原理相同，最大应力点出现在隔板连接处的四周壁板蒙皮处，位置与含减重孔件相同。但值得注意的是，孔边也是主应力集中的危险点。

2 B型盒段模型的建立与分析

2.1 模型描述

如图4所示，麦道82龙骨梁盒段采用了四根高刚度的承压筋条和较薄的壁板组成盒段承受压缩载荷。盒段间采用开孔壁板为蒙皮提供支持，四根主承力筋条之间横向布置加强筋为主筋条提供横向支撑，以提高其失稳载荷。本文按照B型建立与A型龙骨梁盒段截面积相同的盒段模型，按照蒙皮厚度与宽度比例折算模型壁板厚度，并将第1节（用序号表示）1.1节中模型上下壁板中部工字型筋条截面积折算到四周筋条上，进行建模。有限元模型及数模截面尺寸对照如图4所示。

图4 B型盒段模型截面截面

建模方法、选用单元以及边界条件的添加与前述类似，在此不再赘述。

2.2 计算结果分析

（1）稳定性计算分析

本文计算了盒段的屈曲模态与屈曲特征值。表3为分析段屈曲模态及对应特征值。

表3 减重孔对屈曲模态影响

由上表可以看出，蒙皮开孔的存在提高了局部失稳载荷。与上节所述结构类型不同，本节中壁板蒙皮厚度较低，且中部缺乏加强筋对于蒙皮的有效支持。另一方面，四根筋条之间的加强也主要依靠压缩刚度更高的横向加强件实现。因而，蒙皮在较低载荷下即出现了失稳的现象。增加减重孔之后，蒙皮载荷进一步降低，反而提高了出现局部失稳的载荷。综上可以总结得出，对于本节所述结构形式的盒段结构而言，减重孔并不会对整体稳定性造成影响，但是，值得注意的是，蒙皮的局部失稳大变形，可能会对蒙皮与筋条连接位置边缘紧固件带来很大的附加拉拔力，带来潜在危险。

（2）面内应力计算分析

由表4可以看出，该类结构形式盒段承受压缩载荷是，最大剪切应力位于隔板与壁板连接位置处。而开口之后，危险点在开孔边缘对角位置。面内主应力方面，不含开孔的盒段结构上下表面应力水平较低，危险点位于横向隔板与上下壁板连接处的边缘。而开孔的存在进一步降低了孔两侧的应力水平。

表4 减重孔对于应力分布的影响

3 两类结构形式的对比和优化

综合上述分析可以总结得到以下结论：

从开口的角度分析，以A型结构形式为代表，选用厚壁板配弱筋条的盒段结构，壁板应力水平较高，因而开口的存在会显著增加筋条上的应力。另一方面较厚的壁板可以为筋条提供更强的支撑，减重开孔的存在导致临近筋条在面内和面外方向均较容易发生失稳，从而使整体承载能力受到影响。因而，对于该类结构形式的盒形结构而言，开口区不仅应考虑蒙皮强度的校核，还应考虑开口区刚度的补强。而对于薄壁板配合强筋条的B型结构形式的盒段结构来说，由于壁板相对筋条刚度非常低，对于盒段结构承载能力贡献不大，开孔本身并不会对筋条承载产生直接影响。根据计算结果可以看出，开孔由于进一步消弱了蒙皮刚度，以及承载能力，反而提高了其失稳特征值。对于该类结构，值得注意的是，蒙皮发生局部失稳后，产生的面外方向的位移，可能会对蒙皮与筋条连接位置施加附加载荷，影响校核的结果。

从抵抗损伤能力的角度分析，含有强筋条及薄壁板的盒形结构，壁板刚度及应力水平较低，主要通过筋条进行承载。而筋条在隔板位置得到了加强筋较强的支持，故可以提高其应力水平，从而获得较高的承载效率。但是，一旦高应力的筋条受到损伤，会对结构整体造成巨大的影响。厚蒙皮与弱筋条组合的盒形结构，依赖筋条与蒙皮组成的厚加筋板结构进行承载，蒙皮应力水平相对较高，一旦发生失稳将直接影响整体承载能力。因此该类结构需要控制整体应力值。这种特性意味着该类结构抵抗损伤的能力相对强筋条配弱蒙皮的结构形式更强。

从连接的角度分析，B型盒段结构应力主要集中于龙骨梁的四根加强筋条上，需要较长的距离才能将载荷传递到机体结构。另外在加强筋与机体连接位置处，也需要谨慎选择紧固件的直径，并严格控制制孔公差，才能避免出现局部的应力集中。对于A型盒段结构来说，蒙皮及筋条的应力水平分布较为均衡且数值较低，并不需要很长的延伸段来分散传递龙骨梁上的集中载荷。另外在扩散段的连接上，也可以适当降低紧固件的选配和制造精度要求。

[1]牛春匀.实用飞机结构应力分析及尺寸设计[M].北京：航空工业出版社，2009.

[2]杨卫平.飞机结构有限元建模指南[M].北京：航空工业出版社，2013.

[3]Abaqus Scripting User's Manual.Dassault Systèmes Simulia Corp，2010.

Design and Analysis of TypicalBox Structure Under Compression

XUE Bin
（Commercial Aircraft Corporation of China，Ltd.Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai201210，China）

Keel beam is a crucial longitudinal structure of airframe，which mainly bears compression.Although the design of this structure is varied，box structures are the basic bearing units on pressure ofmost airplanes.In this paper，two kinds of typical box structure，with differentmaterial distribution in skin and stringer，are analyzed by ABAQUS in buckling mode and stress distribution.The design characteristics of these structures are summaries with a will to help the detail sizing of these kind of structures.

box structure；load bearing characteristics；FEM analysis

V223.2

A

1672-545X（2015）09-0036-04

2015-06-14

薛 斌（1988-），男，上海人，助理工程师，飞行器结构设计。