泛谈飞机机体机构的强度设计

秦恒飞

【摘 要】飞机机体是航空机载设备、系统的载体，在工程上分为主传力结构、辅助传力结构、锥形结构等，本文主要从薄壁结构件的稳定性设计、机体结构的刚度设计、结构抗振设计、抗腐蚀设计、机体结构的损伤容限设计、机体结构的耐久性设计等六个方面论述主传力结构的设计特征及注意事项。

【关键词】抗腐蚀；疲劳寿命；损伤容限；耐久性

飞机机体作为航空机载设备、系统的载体，在设计中受到诸如外形、总体布局、重量控制等诸多因素的约束。在满足了这些约束条件后，机体结构还需满足静强度、刚度、振动环境、抗腐蚀、疲劳寿命、损伤容限、耐久性及结构可靠性要求。

机体结构工程上分主传力结构、辅助传力结构、维形结构等，本文主要论述主传力结构的设计。

对于主传力结构的布局，一般应遵循以下几个基本原则：综合考虑全机的传力路线；主承力系统尽量设计成超静定结构，以提高机体生存力；合理分配重量指标，综合利用受力构件；集中力尽量靠近结构件剖面的刚心；尽可能让传力路线最短；传力必须连续，构件剖面刚度变化尽量平缓，防止刚度突变；结构受力构件总体上简洁流畅，细节上平缓精致。

1 薄壁结构件的稳定性设计

容易产生稳定性问题的结构形式主要有：杆、板、柱、筒。

杆：主要受通过杆轴心的简单压力或沿轴向分布压力，呈欧拉失稳形式。

板：包括平板和较小曲率的曲板。薄壁结构中有许多形式的屈曲。除简单受拉的情况没有屈曲问题外，薄板在板中面内受压、受剪，薄壁梁受弯、受扭，薄壁壳体受外压等都会发生屈曲现象。

平板在屈曲后还能继续承担轴压。靠近桁条或缘条的那部分薄板，由于支承的限制，不能自由地凹凸，因而能有效地承受轴压，而离两侧支承较远的薄板，可以自由凹凸，几乎不能承担轴压。一般认为在有效宽度以内的薄板，将随同它附着的桁条共同承受轴压。有效宽度以外的薄板则可认为不再受力。也就是说薄壁在失稳时并未毁坏，只是应力分布改变了，整个结构仍在继续支承载荷，直到整体毁坏为止。可在弹性屈曲后继续承载。

梁柱：同时受弯和受压的杆件。这种杆件在侧向力作用下产生弯曲挠度，侧向挠度使轴向压力产生附加弯矩，使侧向弯曲增大，因此必须考虑侧向力与轴向压力的联合作用。在弹性屈曲后，承载能力基本不变。

筒：是对抗屈曲能力较强的结构形式，圆筒受轴向压力时抵抗屈曲的能力比平板要高得多，经典理论的结果是在假设圆筒具有理想几何形状下得到的，实际上由于初始缺陷和边界条件的影响，试验值比理论值要低得多。且在弹性屈曲后，承载能力急剧下降。

2 机体结构的刚度设计

刚度设计的需求是由静变形、机械振动、静气弹、动气弹、伺服弹性、气动伺服弹及以上的综合要求提出的。

在刚度设计中要考虑的载荷主要是弹性力、惯性力、气动力和伺服力。在这几个载荷中凡会与弹性力组合或耦合的都会涉及到结构刚度问题。

在以上这些对结构刚度的要求中，有些是可以兼顾考虑的，但有些是要产生矛盾的，比如颤振和副翼反效，希望加大主翼面刚度，但为了降低机身对突风响应则希望适当控制主翼面刚度。

因此，在机体结构的刚度设计中针对所有要求全面检查、权衡利弊和各专业要求的余度，重点解决主要矛盾；结构刚度本身的强弱都有一个适当的度，可参考相关同类机种选择，最重要的是解决好各环节的刚度匹配；结构中各部件，特别是活动部件的间隙，安装精度对刚度影响甚大，尤其是伺服问题上；对操纵舵面变形计算和试验的载荷工况中，必须包括局部载荷工况。

3 结构抗振设计

对结构而言，振动的危害主要是影响结构本身的功能（如质量分布安装间隙不当影响颤振等要求的频率）；不能满足系统、成品对结构的安装基础要求，如成品使用的振动环境、管路、电缆过大的振幅与它们与结构之间的间隙不相容；振动疲劳对结构寿命的影响。因此在结构设计的过程中，要考虑结构件的固有频率与振源激励频率之间应有足够差值；壁板振动不仅影响振动强度，而且产生噪声，改善壁板的支持刚度和壁板本身的法向刚度是防止壁板振动的主要方法，如加筋条的合理布局，改善屏格尺寸等。如为外露壁板，还要考虑气流激励；在振动环境下工作的构件，尽量选用韧性好，对缺口不太敏感，振动阻尼特性好的材料或结构形式；在振动环境中的构件，尽量避免用焊接件，尤其是普通焊接件；振动环境中的连接件，一般要用高精度螺栓，且应有隔振和防松措施；控制振动环境下工作的构件和安装件（比如导管）的应力水平和振幅。振动谱与载荷谱不同，一般是高频且应力比较大，与飞行小时关系不大，而与激励源（如发动机）的工作状态和工作时间有关。

4 抗腐蚀设计

4.1 腐蚀问题的种类

结构设计中主要面临的腐蚀问题有应力腐蚀、疲劳腐蚀、剥落腐蚀、氢脆和镉脆。

应力腐蚀：某些合金材料在恒定拉应力与腐蚀介质共同作用下，导致材料脆性断裂，特别是高强度钢和铝合金对应力腐蚀敏感；

疲劳腐蚀：疲劳损伤处（如裂纹）与应力腐蚀损伤之间的相互作用；

剥落腐蚀：材料的表面层在加工中或使用中破坏或防腐处理层破坏；

氢脆和镉脆：氢、镉离子渗入金属内部使金属的韧性和抗拉伸强度降低，造成氢脆或镉脆。氢脆在室温下最敏感。高强度合金钢对氢脆敏感。

4.2 抗腐蚀设计要点

1）在满足基本要求的前提下，选用屈服强度较低、裂纹扩展常数较低、电导率高的材料；比如光滑试件的门槛应力和腐蚀应力强度因子高的材料抗腐蚀能力强；

2）控制好配合孔和配合面的间隙和平整度，防止腐蚀物和介质进入和残存；

3）在容易积水积液部位，应安排排水液通道和排水孔，排水孔不能太小，排水孔应设在通道的低端；

4）在设计中要为外场表面防护留出足够的间隙和通道；

5）适当利用抗腐蚀工艺方法，如渗碳、渗氮、冷挤压、胶接等；

6）焊接件的焊缝应避免锉修，如不可避免，锉修面应防腐表面保护；

7）结构件装配中，尽量避免锉修，如不可避免，锉修面应防腐表面保护；

8）镀镉的紧固件不允许与钛合金直接接触，也不能直接与碳纤维复材相连；

9）铝合金结构上的钢铆钉或钢螺钉应涂底漆；

10）在铝合金结构上使用镀镉的凸头螺栓时，在螺栓与螺帽之间应加隔离垫片，受剪螺栓加铝合金垫片，受拉螺栓加镀锌钢垫片；

11）抗拉强度超过1200MPa的钢件不允许镀锌、镀镉；钛合金不允许镀镉，也不允许与镀镉件直接接触。

5 机体结构的损伤容限设计

损伤容限设计的总目标是确保含有损伤（裂纹）的结构在修理前的使用期内，其承载能力能满足在此期间可能遭受的最大载荷，机体不会因为裂纹的存在而发生灾难性破坏。损伤容限设计的主要对象是关键结构件。

5.1 损伤容限设计的主要内容

1）确定损伤容限关键部位；

2）可能遭受的最大载荷及在此载荷作用下已存在裂纹结构的剩余强度；

3）关键部位的裂纹扩展寿命和临界裂纹长度；

4）结构中存在的初始裂纹长度（原材料和加工固有部分以及检测手段无法检测到的两部分）。

5.2 损伤容限设计技术要点

1）结构形式特别是主传力通道的结构构形和选材；

2）针对所选材料和构件形式进行损伤容限试验；

3）损伤容限计算分析：编制载荷谱或应力谱、应力强度因子计算、裂纹扩展计算、剩余强度计算；

4）选择裂纹检测手段（设备配置）；

5）特种疲劳增强措施及新工艺方法；

6）质量控制程序。

5.3 损伤容限设计的几点基础知识

损伤容限设计、计算和试验都是建立在断裂力学理论基础上的；损伤容限结构一般分为两大类：缓慢裂纹扩展结构和破损安全结构（多通道传力和安全止裂）。

1）缓慢裂纹扩展但不可检结构

确定的临界裂纹长度应低于整个寿命期或大修期可能会扩展的裂纹长度，设计时选用裂纹扩展速率低、断裂韧性好的材料；控制包括应力集中因素在内的应力水平；充分的试验验证。

2）缓慢裂纹扩展并可检结构

结构在使用中出现的裂纹可被检测而且可修复或更换。裂纹长度应按可检级别（场站可检、大修可检）分级。

破损安全多通道结构，要求结构在主传力途径结构失效后，残存结构仍能承担修理前使用期内可能遭受的最大载荷。

破损安全止裂结构，壁板上的桁条或加筋条是很典型的止裂结构形式，但能否达到预期的止裂效果，是需要在静强度和刚度设计思想上增加损伤容限思想才能达到。裂纹扩展到桁条或筋条处时，板上载荷向桁条或加筋条上转移，使板的剩余强度提升。适当的多层结构可使其中一层出现裂纹时，当裂纹扩展到与之相连的紧固件孔边，孔起止裂作用，同时紧邻的一层“接力”传载，提升了有裂纹层的剩余强度；多排铆钉结构。

5.4 对结构或结构图进行损伤容限评估检查时要注意的因素

确定主传力结构的范围并检查其与损伤容限设计原理和方法的符合性。

多通道设计思想是否清晰，是否有故障设定的传力计算结果，计算模型是否合理（如建模、支持边界、载荷边界等）；

不可检缓慢裂纹扩展结构的计算和试验结果；结构上的应力集中因素、腐蚀环境及其应对措施；应力控制水平是否合适；

可检缓慢裂纹扩展结构的裂纹检测手段及与之配套的检测通道是否可行；

普查各止裂措施的状况，如壁板、梁缘条、框梁腹板上的开孔和加劲柱、传力结构通道打断后的连接区。

壁板：整体壁板如处在油箱等密封区，不允许产生穿透性裂纹。处于受压区的壁板应首先进行稳定性分析，确保筋条能有效隔波，然后检查筋条是否存在总体失稳和局部失稳隐患，这是筋条能否有效止裂的静强度基础。

筋条尺寸与板厚的匹配是否满足设计原则的要求：根据有限元计算结果检查蒙皮与筋条的载荷分配；

梁缘条：梁缘条往往与直立隔板或肋相连，同时又是壁板的支持边。由于梁的刚度一般较大，既是传力通道上载荷“分配器”，又是壁板等结构件所卸载荷的“承接”对象，梁缘条上的连接孔几乎是梁上所有载荷的入口。由于梁缘条上连接孔上的载荷是不均匀分布的，要着重检查计算报告和试验结果，确定这些连接孔的关键孔位，并检查该处孔径与缘条厚度、边距等的匹配性，缘条孔的可检性和维护性以及特种工艺的试验验证情况。

框梁壁板上的开孔和加劲柱：框梁的腹板上由于成品、管路、电缆等的安装和通道而需开孔。检查其是否符合抗疲劳细节设计原则：如孔的位置、形状、是否出现小孔或大孔、过渡区附近的连接孔是否伤及圆弧区；立柱的安排能否隔断失稳半波长；与腹板相连的立柱是否与梁缘条根部R区干涉（比如是否有立柱尖角与R区相摩擦）；

在纵、横向构件打断处的连接角盒：为了保证主传力通道上构件的传力畅通，在纵横向构件交接处往往需打断横向件或纵向件，确定哪个构件断，除了设计技术上因素外，往往还有工艺上的需要，比如纵向型材太长，不便加工和保证平直度，以及成本上的因素，对不同的断法，都需要用转接盒确保传力路线畅通。如纵向件断，由于需传递拉压载荷和弯矩，角盒上的连接件往往受拉压；如果横向件断，连接件一般受剪切为主。

6 机体结构的耐久性设计

结构的耐久性是结构的一种基本品质。它代表在规定使用期内结构抵抗疲劳开裂、热退化、剥离、磨损和外来损伤的能力。它的设计目标是经济寿命而不是安全寿命。它涵盖的是产品的整个服役期。所谓经济寿命，就是在机体已出现大范围的严重损伤，不经修理已严重影响产品的使用，但修理又不经济（修理费用，停用时间产生的代价比剩余寿命所产生的效益大）这时的寿命称为经济寿命。

由于耐久性设计还处于不断发展阶段，目前国内的主要耐久性设计研究对象还主要限于连接孔和类似整体油箱一类的结构件。耐久性设计是在疲劳设计和损伤容限设计基础上加入经济性的考量发展起来的。

7 总结语

飞机机体是航空机载设备系统的载体，工程上分为主传力结构、辅助传力结构、锥形结构等，本文主要从薄壁结构件的稳定性设计、机体结构的刚度设计、结构抗振设计、抗腐蚀设计、机体结构的损伤容限设计、机体结构的耐久性设计等六个方面论述主传力结构的设计特征及注意事项，对飞机机体结构的强度设计具有一定的指导作用。

[责任编辑：汤静]