飞机机身下部设备支架研究设计

金 安＊ 蒿思哲

（1.中航西飞民用飞机有限责任公司，陕西 西安 710089；2.航空工业西安飞机设计研究所，陕西 西安 710089）

0 引言

飞机机身下部设备支架，是指布置在飞机客舱地板以下的支架结构，由设备支架及其固定结构组成，其功能是为飞机内部各种系统设备的固定提供一个安装平台，对设备起支撑的作用。飞机内部设备种类繁多，各设备的外形、尺寸和固定方式不同，为了满足飞机在不同姿态下设备固定可靠、能够发挥其正常功能，设计人员就需要对设备支架进行严格的设计，不仅要便于各类设备的安装调试，还要保证支架结构在使用过程中具备足够的强度和刚度。

设备支架在飞机结构中虽然是辅助结构，但是其承载着飞机正常飞行所需的各类设备，设备支架一旦损坏，将影响到飞机的飞行安全，可见设备支架的重要性。飞机设计初期，需从总体角度出发，全面考虑相关系统各专业的要求，选择合适的结构形式，以满足所有设备的安装、使用。

1 布置原则

机身下部设备支架的布置由支架功能驱动，其布置取决于支架上面所连接的设备外形和尺寸，在具体布置时遵循飞机总体布置原则、设备的固定与安装空间要求，除此之外还需与周围结构协调安装，避免干涉。

总体布置从飞机整个布局出发，规定了机身下部设备的安装位置，在总体规定的区域内需按照系统设备的空间位置对应布置固定支架结构。设计时综合考虑各设备的外形、尺寸和位置因素，通过对设备的固定宽度尺寸的整合，使尽可能多的设备固定在一组主设备支架结构上。与此同时，设备支架的布置还受所在区域空间限制，其上表面需处于同一水平高度。设备支架属于辅助安装结构，在飞机主结构打样设计完成后开展此项工作，设备支架固定结构在与主结构连接时，注意与周围结构互相协调，避免干涉。

2 设计要求

机身下部设备支架在设计时需满足强度、刚度、稳定性要求，使其能承受飞行中可能遇到的任何振动和惯性载荷，同时还需满足选材要求、维修性要求、重量控制要求和制造工艺要求等。通过优化和分析试验，在满足设备支架功能、强度、刚度和稳定性要求的前提下，选取利于减重的最优结构布局和结构尺寸，以减轻结构重量。

2.1 载荷要求

设备支架在使用载荷作用下，不应有残余的永久变形；在设计载荷作用下，结构不发生破坏。设备支架在进行强度校核时，选取设备支架最大极惯性载荷进行分析，其最严重工况为向前9g工况，因此设备支架需能承受向前9g工况下的应力作用要求。

2.2 选材要求

材料选择与自身安装的飞机主结构相匹配的材料，结合零件的工艺性设计要求，综合权衡材料的设计性能（如机械性能、物理性能和化学性能等）和工艺性能（如成形、切削、连接和热处理等），采用制造工艺简单成熟的高强度金属材料，在满足结构完整性要求下尽量选用材料价格、工艺成本、维修成本低廉的材料。

2.3 维护要求

设备支架在与主结构连接时，要注意安装工序，确保安装通路开敞，施工方便。设备支架为飞机电源系统、环境防护系统、氧气系统、导航系统、机电系统等重要设备提供固定平台，在使用过程中需要定期对各系统进行检查与维护，设备固定采用螺栓和托板螺母，便于安装和拆卸，紧固件和拆装工具尽可能标准化，以满足维护性要求。

3 设计流程

飞机方案设计阶段会形成初步的总体布置图，规定了机身下部设备支架的位置和设备固定平台尺寸，这些参数作为输入条件，可以初步设计出设备支架的结构，通过与飞机主结构的打样数模连接协调，设计出设备支架的固定结构。在完成设备支架及其固定结构的设计工作后，通过与关联的各系统设备安装底座机械接口协调，遵循设备支架的布置原则和设计要求，相互协调形成比较成熟的结构数模。

根据设备支架成熟的结构数模，以及设备位置的变动对飞机重心的影响，重新优化总体布置方案，调整设备支架的布置。飞机总体布置调整完成后，再次作为机身设备支架的输入条件和布置原则，重复前一轮设计过程继续优化，直到满足各系统设备的固定要求。机身设备支架的设计流程如图1所示。

图1 机身下部设备支架设计流程图

4 结构形式

机身下部设备支架按照其用途，结构形式应能满足系统所有设备的固定、稳定运行和维护通道的可达性，作为系统设备固定的安装平台，其自身基础是稳固的且便于设备固定。按照机身下部设备支架的协调关系和设计输入，本文经过研究各设计需求对结构设计的约束，综合考虑各设备固定需求，按照设计思想形成以下几种结构形式，可供机身下部设备支架结构的设计参考。

4.1 贯通式整体结构

当机身地板下部空间较大，特别是该区域横向宽度较大时，可以采用设备支架前后贯通、设备支架固定结构左右贯通的结构形式。这种贯通式整体布置的结构形式如图2所示。

图2 贯通式整体布置的结构形式

贯通式整体结构形式简洁、零件数量少，设备支架截面为“Z”字形，根据设备支架平台宽度可以选择“Z”字形成品挤压型材机加，设备支架固定结构采用机加件或钣金件，上表面与设备支架翻边贴合连接，腹板面与机身隔框腹板贴合协调连接，通常情况下，在设备支架两端采用机加件固定结构，中间采用钣金件固定结构。

需要注意的是，当沿航向的两设备支架之间跨度较大时，可根据承载需求在中间增加一个航向支架结构；当某一隔框之间连接设备重量较大时，可在局部增加一个航向支架结构，以增加设备支架的承载能力。

4.2 分散式集中结构

当机身地板下部空间狭小，特别是地板骨架采用立柱支撑的布局，地板下部空间受周围结构围合限制，可相对飞机对称面对称布置两根航向的主设备支架，主设备支架的布置兼顾绝大多数设备固定的宽度要求，剩余的小型设备在一侧借用主设备支架固定，另一侧由分散设备支架平台供其固定。当小尺寸设备较多时，可以考虑沿航向布置两根较大跨度的短设备支架，在短设备支架上再布置横向设备固定平台，将众多小型设备集中布置在一到两个框间距之内。分散式集中布置的结构形式如图3所示。

图3 分散式集中布置的结构形式

分散式集中布置空间利用率高、设备整合度好，设备支架采用帽形截面板弯零件，设备支架固定结构采用钣金件，在满足与帽形截面两侧边贴合后结构形式可自定，设备支架与设备支架固定结构在帽形两侧边连接。设备支架及其固定结构均采用了成熟的钣金工艺，制造质量可靠，同时设备支架分段式布置，尺寸短便于加工和装配。

4.3 独立式零散结构

除了以上两种全局性、系统性综合布置的结构形式外，其余形式均为独立的按需零散布置方式，在总体布置时没有一个完整的规划布局。由于个别设备与其他设备距离较远，此时需要针对该设备单独设计专用支架。此类设备支架的结构形式以满足独立设备最低固定需求为目标进行设计，通常要求尽可能选用成品型材完成设计。

独立式零散结构常用的成品型材有“L”型、“工”字形和“几”字形，在加工时只需要对型材裁剪即可。这种形式的布置个体特征明显，一般不通用，与前两种形式相比，设备支架结构单位重量也有所增加。

5 结构分析

这三种结构形式的设计各有优势，通过对比结构性能和适用范围，形成以下观点：

（1）贯通式整体布置的结构形式简洁、零件数量少、结构传力清晰，设备支架固定结构横向贯通设计将两侧设备支架连为一体，结构整体性能较好，适用于大、中型飞机设备支架结构设计，其设备布置灵活、位置调整方便，对设备的变动可设计性好，便于总体布置改动、工作量小。

（2）分散式集中布置的结构形式空间利用率高、设备整合度好、结构重量轻，采用帽形截面结构，设备支架独立承载能力强，面内稳定性好，特别适用于中、小型飞机设备支架结构设计，结构可设计度高，设备布置灵活、集成度高，当设备布置实现数字化与信息化设计后可大幅度减少工作量。

（3）独立式零散结构个体特征明显，设备支架一般不通用，设备针对性强，这种结构形式适用于零散设计，在飞机工程研制阶段或者设计定型阶段对个别设备的增加或者调整时采用，设计特点是对位置要求较低，且结构选择成品较多、材料成本低。

6 结语

本文结合机身下部设备支架的布置原则和设计要求，给出了一套完整的设计流程。通过对机身下部设备支架的研究、设计，形成了三种结构形式，对这三种结构形式的设计特点进行对比分析，供飞机机身下部设备支架的设计参考。在选用时需按照特定飞机的要求灵活使用，不同结构形式的采用会产生各自独有的结构效果。