[科普中国]-机体结构设计

技术发展

在20世纪50年代前后，飞机结构设计一般根据所设计对象的具体要求、条件，根据经验或参号原准机，结合设计原则、知识进行定性分析，选出结构方案；然后进行初步的设计计算(仞定量计算)，以确定结构主要元件的截面尺寸(对杆元即为杆的横截面尺寸，对板元即为板的厚度)；最后进行强度、刚度校核，以验算截面尺寸能否保证安全。如果满足强度要求，即认为设计完毕；当强度不够．或没计人员认为剩余强度太大时则修改设计。再估算、修改主要截面尺寸，然后再进行强度校核，一般可能重复1～2次。计算分析均以工程梁理论为基础，并对结构中受力特性不符合工程梁基本假设的结构进行修正计算。这种计算分析方法对于大展弦比直机翼与小尺寸机身等，尚有一定的精确度与试验结果基本符合。但由于当时计算方法和计算工具的限制，计算中作了许多简化处理，总的说计算结果的精度不高。需要说明的是，现代飞机广义的结构强度不仅仅指强度．还包括了刚度和稳定性。而目前的设计分析中对飞机结构完整性的评定则包含了更多的内容。

随着科学技术的发展，飞机结构设计方法也在不断进步。20世纪60年代以后，由于电子计算机的出现，极大地提高了计算能力，成功地发展了适用于复杂结构的应力分析有限元方法和结构优化设计方法，使飞机结构设计从定性和初定量设计向比较精确的定量设计和优化设计跨进了一大步。并且出现了结构设计与总体、气动、工艺等设计紧密配合、互相协调的计算机辅助一体化设计方法。1

运行经济性和环保性已成为当今世界民机市场竞争力的两大目标，实现这两大目标的核心是轻质结构、新一代发动机、先进空气动力学和创新制造工艺等技术。而降低结构重量的有效手段：一是采用先进的结构设计和分析技术．二是大量采用先进的复合材料、钛合金、铝锂合金及其他新材料和整体化结构。

为实现上述目标，国外正在加快发展先进的结构技术，提高和加快轻质机体新材料、新工艺的应用水平，特别是针对民用飞机采用的先进复合材料，实施了一系列新材应用的中长期计划，来推动复合材料技术和先进合金技术的发展，以提高航空平台机体构效率、减轻重量、降低成本。如美国NASA实施的飞机效能(ACEE)、先进复合材料技术(ACT)、先进亚音速技术(AST)、整体机体金属结构(IAS)等计划，一方面极大促进了复合材料在民用飞机上的应用，另一方面极大提高了结构效能，大大降低了制造自本和制造周期。

欧洲的空中客车公司在应用复合材料方面毫不逊色于美国的飞机制造公司。继实施TANC0计划之后，欧盟又实施了先进低成本机体结构计划(ALCAS)，针对不同的结构材料和设计方法与飞机系统最佳结合，为低成本地制造出轻重量的飞机结构提供相应的数据和经验，该计划已经规划了4个技术验证平台，大多数是复合材料结构。

近年来，美国和欧洲已经或正在将上述专项计划所取得的低成本、轻重量复合材料结构和整体结构技术的研究成果，应用于正在研制的先进飞机结构设计上。其中波音公司概念机先进战术运输机将大量采用ACT和AST计划中所取得的研究成果，承力翼盒将采用缝合复合材料加筋蒙皮壁板，机身将采用缝合泡沫出复合材料面板夹层结构。2

设计依据结构设计之初一般已有以下原始依据：

飞机的类型、性能和全机主要参数，如翼载、设计载荷系数等；

由总体设计确定的外形参数，如机翼展长￡、展弦比A、后掠角y、翼型相对厚度、机身的长度与高度等；

机翼与机身的相对位置——上单翼、中单翼还是下单翼；机翼能否以某种形式贯穿机身，或是分两半在机身侧边与机身连接；

机翼、机身的内部装载，与发动机、起落架和武器外挂的连接协调关系；

通过计算给出的所设计结构的载荷数据。1

设计阶段结构设计基本上分打样设计和详细设计(也称工作设计)两个阶段。并行工程原理所要求的对“一”中提及的各因素的权衡分析应贯穿在整个设计：I：作中。只是对强度、刚度、损伤容限、耐久性(后两项可视不同型号飞机的具体要求改用损伤容限、疲劳配套方案)等设计准则的综合考虑，在两个阶段中侧重点和深度、细化程度有所不同。1

打样设计主要工作内容如下：根据使用要求和协调关系进行机翼、机身中各项装载的内部安排；选择部件的结构型式．布置主要受力构件；选择分离面。确定对接方式和接点位置；然后初步确定主要结构元件的剖面尺寸和蒙皮分块；还应确定维护检查口盖的位置、大小。上述的结构布局工作主要以强度和损伤容限准则为基础，之后进行耐久性打样设计。打样设计阶段损伤容限、耐久性设计主要从材料、应力水平控制、结构布局(结构型式选择和主要受力构件布置)和细市设计四个因素考虑。然后确定关键件和重要细节部位，对它们，特别是重要承力构件的连接区做初步分析，必要时还须配以一定的试验研究。除上述各结构设计准则外．设计中还必须综合考虑结构的工艺性以及满足内部装载和管道、电缆、附件等系统的位置协调和使用维护要求。最后绘出打样图，并根据梁、长桁、肋(或框)的布置结果，绘出机翼(或机身)的结构理论图。

须指出的是，上述有些工作是和飞机总体设计工作同时进行的。如美国的F-4战斗机曾论证了75种机翼平面形状以及机翼与机身的相对位置和连接关系。每一种方案均论证了它们在结构上实施的可能性和优缺点，最后确定最终方案。

详细设计(工作设计)进行机翼、机身结构元件，包括壁板(蒙皮和长桁)、梁、框的结构设计。选择各构件的构造形式、材料，确定其几何尺寸和构件间的连接。其间应对损伤容限、耐久性打样设计结果进一步深化和细化，除对关键件的总体尺寸和局部细节尺寸精确确定外．还要对公差、表面粗糙度、表面处理及特殊加工工艺和检测方法等进行精确控制。同时结构分析人员做结构强度、刚度和颤振的校核汁算，并进行更为细致深入的损伤容限、耐久性分析；完成必要的试验．给出检查周期和经济寿命。

最后设计若已满足各方面的设计要求，即可发出全部生产图纸。1

原始条件在进行结构设计之前，必须先把结构设计的原始条件分析清楚。它主要包括以下各点。

1．结构的外载以及对结构受力特性的要求

飞机结构必须保证在所受外载下有足够的强度、刚度、寿命和高可靠性，因此首先必须确定结构的外载。飞机各部件所受的外载．由飞机的机种、总重、外形尺寸、使用要求等条件根据飞机强度规范算出，根据外载就能对结构提出受力特性的要求。例如是静载还是动载，是否需要考虑疲劳寿命或经济寿命以及热应力、热刚度和振动等。结构特性还包括对某些结构，如机翼、尾翼等，要求有足够的总体刚度和局部刚度；有时还须考虑气动弹性问题。

2．飞机结构的协调关系

飞机结构的形状通常并不可以任意选定。在总体设计阶段，一般已确定了各部件的外形、相对位置以及相互间连接交点的位置。在进行部件结构打样设计时应尽量保持它们的协调关系。对于飞机零构件，则须明确本零件或构件与其他构件在连接尺寸上的协调关系．以及各构件问或各构件与内部装载之间的形状协调。如加强框结构的外侧边界应与飞机的理论外形相协调：其内侧边界则有时可能须与某个内部装载，如发动机进行空间协调。

3．结构的使用条件

飞机结构的使用条件分下述几个方面。

(1)环境条件。环境条件是指飞机在飞行或停机时的气象条件或周围介质条件。气象条件是指大气温度和湿度变化范围。飞机若能在夜间或恶劣气象(雷雨、冰雹等)条件下飞行。则为全天候飞机。周围介质条件是指结构所处环境周围介质状态，如海水腐蚀等。

(2)起飞着陆场所条件。飞机可以分为只在地面机场起飞着陆的陆上飞机和在水面上起飞降落的水上飞机两大类。机场又可分为水泥跑道、土跑道，水泥跑道又可分为一级跑道或二级跑道。着陆场所、条件的不同会使结构受载和对起落装置的要求不同。

(3)维修条件和使用条件。飞机结构在使用时的维修条件，包括维修周期与次数、维修能力、维修速度要求，以及对维修场所如在外场维修，还是到场站或基地维修等。不同类型的飞机、同一类型但性能不同的飞机，其使用条件和维修条件均会有所不同，在结构设计前应明确。

4．结构的生产条件

结构的生产条件主要指飞机的产量和工厂的加工能力与装配能力。产量不同在选择结构的设计和工艺方案时会有所不同。例如只生产几件零、构件时，一般不宜采用模锻件和精密铸造件；当大量生产时，就可以考虑采用模锻、精密铸造等适合于大量生产的工艺方案。加工能力是指飞机制造工厂所具有的设备，工艺员和工人的技术水平与加工经验，以及采用新材料新工艺的可能性。飞机结构的设计人员应对生产厂的情况很熟悉，这样才能设计出具有良好工艺性的结构。1

设计过程飞机结构设计主要指机翼、尾翼、机身、发动机舱和起落架等机体结构设计和操纵系统没计。飞机结构设计过程大致有以下各个典型阶段：

(1)了解结构的使用条件、生产条件。以及总体设计已基本确定的结构外形尺寸、主要部件初步确定的结构型式和各种协调关系。

(2)通过计算和试验．确定外载荷的大小、分布、性质。

(3)进行部件的打样设计。确定结构布局的可能方案(包括结构型式和受力构件布置)进行比较，选定后初步确定内部协调与装配关系。

(4)进行初步估算，或结合经验，或参考原准机，或根据以上的综合．初步定出各结构的基本尺寸；然后进行结构优化设计和结构方案的进一步比较，最后确定结构的基本尺寸。

(5)画出结构详细打样图，并进行细节设计。

(6)对结构进行强度计算，对关键件进行初步的疲劳、耐久性和损伤容限分析。在计算分析过程中，若有必要须进行有关的设计研制试验。若分析结果不能满足设计要求．则修改设计。

(7)进行零构件的详细设计，绘制全套生产图纸和编制相应的技术文件。

(8)根据设计之初所选定的结构设计准则，进行全机疲劳寿命和损伤容限分析；或者进行损伤容限、耐久性分析，并确定全机的经济寿命。进行可靠性分析，给出结构使用寿命和检查周期。

(9)根据全机静力、疲劳(或耐久性)和损伤容限试验及试制、试飞中发现的问题对设计作必要的修改。1