基于某型飞机的机身总体承力结构布局方案研究

佟德喜

摘 要： 本文主要论述了在飞机型号研制初期，为适应总体参数不断变化的情况，快速选定较合理的机身总体承力结构布局方案的一种方法。该方法主要基于在已成功研制型号上应用的有限元切面计算程序及常用的EXCEL、CATIA软件，操作简单，容易上手，基本能够满足型号研制初期进行方案选择的使用要求。

关键词：机身；总体承力结构布置方案；有限元切面计算程序

目前的结构优化设计软件主要集中在结构尺寸和形状的优化，而结构布局优化还不够成熟，涉及较少；传统的飞机研制方案阶段的结构布局优化软件，需提供的数据量大，方案初期总体数据不断调整，结构布局方案随之变化，单纯依靠结构布局优化软件提供结构布局方案，周期过长，难以满足在当前紧迫的型号研制工作中的需求。因而如何利用现有工具软件，通过定量的计算得到一个较合理的方案，就成为一个关键的问题。对于当前型号，重量问题尤为突出，因此评价方案合理与否的关键因素是重量。

参照原准机定性选择出较好的几个方案，分别进行选择截面、强度校核，修改截面、再强度校核，重复迭代将各个方案调至相同的应力水平，按照各个方案的最终截面进行重量比较，综合考虑以选定一个最终方案。

1 概述

主要步骤包括在CATIA中建立几何模型、应用CATIA知识工程进行结构数据的提取、使用EXCEL将结构数据转化为切面计算程序的输入、切面计算程序计算、计算结果的处理等。

其关键在于结果处理中应力水平的控制。

以现有某型飞机机身蒙皮、长桁结构布局四种方案的优选为例进行说明。

待總体确定机身外部舱门位置后，各大梁位置基本确定，因此总体承力系统的布局调整集中到蒙皮和长桁的调整上面。

2 某型飞机蒙皮、长桁布局优选

2.1 总体承力系统CATIA模型的建立

假设长桁都承受正应力而不失稳，蒙皮只能承受剪流，

2.2 结构数据的提取

以常规切面计算需提供的切面数据为有限元切面计算的切面原始数据。包括：节点号、节点座标、长桁面积、蒙皮厚度等。并将其转化为切面计算程序的输入格式，如图2所示。

2.3 计算结果的处理

计算结果图3所示。

2.4 临界应力的计算

蒙皮、长桁均按2A12材料进行计算。为提高长桁局部临界应力，均选用带圆头的挤压型材，这样局部临界应力都大于300MPa。因此，长桁只需用总体失稳临界应力来控制即可。

对于铆接在蒙皮上的长桁，由于它只能和蒙皮一起弯曲，而蒙皮在其本身平面内刚性很大，难以发生弯曲，所以长桁只能绕x轴（即垂直于长桁纵轴而又平行于蒙皮平面的一条轴）而失稳。

（2）求临界应力

按欧拉公式 计算得 =117MPa，与相应的切面计算杆件的压应力比较，将安全裕度MS控制在一定范围内，如0～1之间，以达到对杆件应力水平的控制。

按照以上步骤将定性选出的几个方案的杆件应力水平控制在近似相等的程度，根据最终的截面尺寸计算各个方案的重量，以重量最轻原则优选出一个最终的方案。

3 型号研制中的应用

根据切面计算结果及其分析，上体长桁间距110mm比较合适。

通过大量计算、分析、对比，结论是：密长桁、薄蒙皮确实可以保证强度和减轻重量，例如桁距200mm和桁距105mm比较，每平方米长桁、蒙皮组合减重1.322千克。

4 结语

本文的研究工作是建立在某型飞机机身的CATIA理论数模上，在此数模上进行长桁、蒙皮的布置，

但遗憾的是由于时间的关系，只选取了13-18框的桁梁、蒙皮进行了四个方案的比较优化，而且未与相应的布局优化软件分析结果进行对比分析，这一点将是我今后首要解决的问题。同时由于研制阶段的限制，目前的载荷工况并不完全，因此，只能暂时确定布局，相应的结构尺寸仅供参考，不能直接应用。

目前是考虑了加工尺寸及舱门位置进行的蒙皮分块，若完全按应力分布进行蒙皮分块，或许可以得到更轻的重量方案。

参考文献：

[1]孙尔业译.《飞机结构典型强度计算机身计算》.中国人民解放军军事工程学院.1957年5月.

[2]郭景川.《飞机结构静强度、刚度、损伤容限综合设计》.强度研究所.2006年.