机身框与长桁、蒙皮的连接形式研究

王 强，付杰斌，张 伟

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

飞机机身结构中最大的结构单元是壁板，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。本文从三种壁板的连接形式进行分析探讨和研究，得出各类壁板的优缺点。

1 机身框与长桁、蒙皮的连接形式分析

为便于区分各类壁板，将下述壁板命名为A类壁板、B类壁板、C类壁板。

1.1 A类壁板结构形式

A类壁板机身框、长桁与蒙皮的连接见图1，是由蒙皮，长桁，止裂带，剪切带板，桁条角片，框铆接组成。蒙皮与止裂带采用热胶接，胶接后与长桁和剪切角片进行气密铆接。

1.2 A类壁板结构耐久性和工艺分析

A类壁板采用的是浮框的连接形式，即框不直接与蒙皮连接，而是通过剪切带板与蒙皮连接，机身的增压载荷通过剪切带板传给框。框不直接与长桁连接，而是通过桁条角片与框连接，这样避免了框缘直接与长桁弯边相连，可以防止在座舱增压时，被连接的长桁弯边因偏心而产生裂纹，还避免了铆钉受拉，改善了该处的抗疲劳特性。

图1 A类壁板结构

A类壁板采用浮框的连接形式使装配时协调更方便，蒙皮的表面质量更好，因为机身的外形只决定于蒙皮的质量，不用受框的外形影响。

根据《实用飞机结构设计手册 第二分册 结构耐久性设计》，DFR值即为结构细节疲劳额定值，它是评定结构细节疲劳质量的定量指标，DFR值的高低即可表示结构细节疲劳的好坏。A类壁板的结构连接形式易产生疲劳裂纹的位置有蒙皮与剪切带板连接处，有框与剪切带板的连接处，还有长桁与框的连接处，见图 2～图 4。

图2 A类壁板结构蒙皮上DFR的位置

图3 A类壁板结构框上DFR的位置

图4 A类壁板结构长桁角片上DFR值的位置

A类壁板结构的长桁截面为Ω型，两相邻剪切带板之间的距离较大，从长桁铆钉到剪切带板的端头铆钉间距偏大，在高剪切或压缩载荷下，此处的蒙皮无支持，易发生屈曲失稳（见图5）。

图5 A类壁板结构易发生屈曲的蒙皮

A类壁板结构框和长桁是采用槽型桁条角材连接，这样长桁上的力传到框上易使桁条角材产生偏心，根据钉载分配原则，使桁条角材上离框远的铆钉承受载荷更大。如果将框和长桁连接的槽型桁条角材改成H型桁条角材，就可以降低此处铆钉的承载，而且能大大改善桁条角材的偏心，提高型材的疲劳寿命，桁条与H型桁条角材的连接见图6。

图6长桁与框连接的H型长桁角材

A类壁板的浮框连接形式，框上没有长桁开口，即没有应力集中源，疲劳强度非常好，而且降低了框的装配定位精度要求，可以更好的保证机身蒙皮的表面质量，框又可随壁板一块分段装配，壁板在机身的装配定位通过定位孔实现，这样能大大提高机身装配时并行作业的效率，缩短生产周期。但壁板浮框的结构形式使壁板装配的零件数量增加，而且A类壁板长桁与框的连接，长桁采用的是Ω型型材和槽型角材的配合，这增加了装配配合要求，由于零件公差，工艺上很难保证所有的长桁与长桁角材完全配合且没有间隙，如果有间隙就会使铆钉承受附加力，产生装配应力，影响机身壁板的使用寿命，且蒙皮与止裂带的热胶接使壁板的加工成本增加。

2 B类壁板连接结构分析

2.1 B类壁板结构形式

B类壁板机身框、长桁与蒙皮的连接见图7，是由蒙皮，长桁，止裂带，破损安全角材，桁条角片，框铆接组成。蒙皮与止裂带采用热胶接，胶接后与长桁和框缘进行气密铆接。

图7 B类壁板结构

2.2 B类壁板结构耐久性和工艺分析

B类壁板采用的是框缘与蒙皮直接连接，机身的增压载荷直接传给框。框上开缺口让长桁通过，为了降低框缺口处的应力，在框的缺口处铆接一根破损安全角材。框不直接与长桁连接，而是通过桁条角片与框连接，这样避免了框缘直接与长桁弯边相连，可以防止在座舱增压时，被连接的长桁弯边因偏心而产生裂纹，还避免了铆钉受拉，改善了该处的抗疲劳特性。B类壁板的这种整体剪切带板的连接形式比A类壁板分离的剪切带板连接形式零件数量减少了。框直接与蒙皮连接，还减少了剪切带板的重量，B类壁板结构形式重量比A类壁板结构形式的重量要轻。但这种结构框上要开长桁缺口，在框缺口处容易产生应力集中，影响框的疲劳寿命。

B类壁板的结构连接形式易产生疲劳裂纹的位置分别有蒙皮与框缘连接处，有框的开口处，还有长桁与框的连接处，见图8～图10。

B类壁板结构，框和长桁是采用槽型桁条角材连接，这样长桁上的力传到框上易使桁条角材产生偏心，根据钉载分配原则，使桁条角材上离框最近的铆钉承受载荷更大。如果将框和长桁连接的槽型桁条角材改成H型桁条角材，就可以降低此处铆钉的承载，而且能大大改善桁条角材的偏心，H型桁条角材的连接与A类壁板相同。

图8 B类壁板结构框上DFR的位置

图9 B类壁板结构蒙皮上DFR的位置

图10 B类壁板结构桁条角材上DFR的位置

B类壁板的框开缺口的连接形式，与军机普通框的设计相同，框上开长桁缺口，框缘直接与蒙皮连接，使壁板装配的零件数量比A类壁板减少了，框也可随壁板一块分段装配，壁板在机身的装配定位通过定位孔实现，有利于机身装配时并行作业，提高装配效率，缩短生产周期。但B类壁板长桁与框的连接，长桁采用的是Ω型型材和槽型角材的配合，这增加了装配配合要求，由于零件公差，工艺上很难保证所有的长桁与长桁角材完全配合没有间隙，如果有间隙就会使铆钉承受附加力，产生装配应力，影响机身壁板连接处的使用寿命。且蒙皮与止裂带的热胶接使壁板的加工成本增加，Ω型的长桁使框上的缺口尺寸较大，降低了框的疲劳寿命。

3 C类壁板连接结构分析

3.1 C类壁板结构形式

C类壁板机身框、长桁与蒙皮的连接见图11，是由蒙皮，长桁，剪切带板，框铆接组成。蒙皮采用变厚度化铣。

图11 C类壁板结构

3.2 C类壁板结构耐久性和工艺分析

C类壁板采用的是浮框的连接形式，即框不直接与蒙皮连接，而是通过剪切带板与蒙皮连接，机身的增压载荷通过剪切带板传给框。框不直接与长桁连接，也是通过剪切带板与框连接，这样避免了框缘直接与长桁弯边相连，可以防止在座舱增压时，被连接的长桁弯边因偏心而产生裂纹，还避免了铆钉受拉，改善了该处的抗疲劳特性。

C类壁板与A类壁板都采用浮框的连接形式，这使装配时协调更方便，蒙皮的表面质量更好，是现在民机壁板最常用的一种结构形式。C类壁板将剪切带板和长桁角材合二为一，既简化了壁板的连接结构，又满足了壁板的连接要求，是一种比较好的壁板连接形式。

C类壁板的结构连接形式易产生疲劳裂纹的位置分别有蒙皮与剪切带板连接处及框与剪切带板的连接处，还有长桁与剪切带板的连接处（见图12～图14）。

图12 C类壁板结构蒙皮上DFR的位置

图13 C类壁板结构框上DFR的位置

图14 C类壁板结构长桁上DFR的位置

根据《飞机设计手册第10册-机身结构设计》，C类壁板的这种将长桁与框，框与蒙皮的连接合二为一的结构，即剪切带板将长桁、蒙皮、框连成一个整体的结构，经过大量的试验验证，不但能满足飞机的连接寿命要求，而且减少了零件的数量，易于装配和协调。

4 综合分析

通过A类壁板、B类壁板和C类壁板结构形式定性分析比较壁板重量。

C类壁板的长桁为Z字型，A类壁板和B类壁板的长桁为Ω型，长桁主要受正应力，按长桁能承受正应力比较，Ω型长桁比Z字型长桁的形心位置高，Ω型长桁比Z字型长桁的效率更高，单从长桁切面形状比较，单位面积的承载能力，Ω型长桁比Z字型长桁好，重量要轻，但在前面的工艺性分析中，我们发现，Ω型长桁的装配时容易产生装配应力，会影响壁板的疲劳寿命。

A类壁板，C类壁板采用的是浮框式结构，蒙皮与框是通过剪切带板连接，B类壁板是框开长桁缺口，减少了剪切带板的连接，在重量上会比框不开长桁缺口的A类壁板、C类壁板的浮框结构轻，但框上的缺口位置易产生应力集中，影响框的疲劳寿命。

5 结论

A类壁板、C类壁板采用的是浮框式结构，通过比较，C类壁板从受力、零件工艺装配、零件数量上要优于A类壁板结构，B类壁板因为在框上开缺口，减少了剪切带板的连接，在重量上会比框不开长桁缺口的浮框结构轻，但若框上的应力水平较高，在框上的缺口位置易产生应力集中，影响飞机的寿命。因此，可以根据各段框的应力水平来选择不同的壁板连接方式。在框的应力水平较低处，可以采取框开长桁缺口的方式。A类壁板适合于框与长桁应力水平均较高部位；B类壁板适合于框应力水平较低而长桁应力水平较高部位；C类壁板适合于框应力水平较高而长桁应力水平较低部位。