[科普中国]-机翼-机身构型

简介

机翼与机身的连接设计是飞机结构设计中最重要的设计环节之一。一方面是由于这些连接本身的重要性；另一方面在机翼机身连接区，连接构件可能还与其他构件连接，造成受载和传力情况复杂，分析比较困难，而且连接部位的构件和耳片、螺栓等连接元件通常对疲劳敏感。因此，设计时必须进行充分、准确的设计计算，对关键件要做耐久性、损伤容限分析、可靠性分析，最后完成相关的试验。机翼与机身连接设计内容较多，包括接头位置的布置(结构布局时已确定)、接头的构造形式、结构强度与刚度分析、工艺成形方法以及接头的配合间隙与容差等。1

连接设计原则首先根据飞机机翼的布局形式，如上单翼、中单翼或下单翼，选择机翼与机身的连接形式。设计时应尽量使机翼贯穿机身，保持机翼结构的完整性。这样左右机翼所受的对称弯矩在对称中心0号肋处自身平衡，机翼与机身对接接头不传弯矩，只有不对称弯矩会通过接头传给机身。通常，不对称弯矩比对称弯矩小很多。机翼翼梁、根肋和机身对接框的汇交处，可以设置起落架接头的安装点，以综合利用结构，减轻质量。

机翼与机身连接接头及对接区其他结构件，不论是军机还是民机都必须考虑疲劳和损伤容限设计要求。接头及其连接件的应力或应变设计值要通过疲劳、静力分析等来确定，并确定紧固件载荷分布。接头的布置和结构形式要尽量通过螺栓受剪来传递力和力矩。如果由于总体要求或结构布局的限制，需采用受拉螺栓或受拉比较大的拉剪螺栓时，不仅螺栓易疲劳损坏，而且对接区结构的受力也复杂，容易发生疲劳破坏。为了减少应力集中，机翼与机身连接处构件的圆角R不应小于6 mm，并尽可能地使用对称接头；接头设计可采用楔形或变剖面的连接形式，使载荷在各连接件中均匀分布。为了减少装配残余应力，应选取紧固件与孔间的合理配合，并使用强化工艺对接头和孔边进行强化处理；接合面接头对接面间隙的确定要合适，一般应小于0.15 mm，绝不允许强迫装配。

机翼与机身连接结构必须连续地把左右机翼传来的载荷传给中央翼或机身，传力路线要短，受力和传力要可靠。机翼与机身连接结构制造、装配工艺性好，易进行检测与维护，修理更换方便。1

机翼与机身连接结构配置机翼与机身的连接结构形式与机翼相对机身的位置、机翼受力结构是否穿过机身以及机翼的结构形式有关。一般有下列几种配置情况(如右图)：

中单翼飞机一般翼面无中央翼贯通机身，如图中(c)所示，机翼分成两半与机身在其侧边相连接。这种连接形式主要用于梁式机翼和多腹板式机翼，机翼翼梁接头与机身框接头连接，对接处就是机翼的设计分离面。如果有中央翼，则可将整个中央翼盒或翼粱贯穿机身，如图中(d)所示。

上单翼或下单翼飞机的左右机翼连成一体贯穿机身，通过中央翼与机身连接，如图中(a)和(b)所示。这种连接形式一般用于大型飞机或民用飞机，机翼多为单块式和多腹板式结构形式。这种结构布置可以使机身内部空间好利用，结构质量轻，经济性好。1

机翼与机身连接形式集中接头对于中翼不贯穿机身的配置情况，机翼与机身的加强框相连一般采用集中接头对接。对于中翼翼梁贯穿机身配置情况，外翼和中翼翼梁之间连接也采用集中接头形式。连接接头必须能可靠地限制机翼在空问的六个自由度，以便传递相应的三种载荷。因此机翼与机身对接时至少要有一个固接接头和一个铰接接头才能传递机翼上的全部载荷(如图1所示)。图1(a)表示传递弦向阻力和水平弯矩，图1(b)表示传递垂直和展向力以及垂直弯矩和扭矩。

集中连接接头有叉耳式连接接头、盒形件连接接头等多种形式。叉耳连接形式(如图2所示)可分为水平耳片叉耳连接和垂直耳片叉耳连接。水平耳片叉耳连接接头常用于薄翼型机翼，连接螺栓垂直航向放置。为了提高粱的有效高度，并便于向水平耳片过渡，整体梁或铆接梁的缘条多做成扁状，且宽度较大。机翼的弯矩通过螺栓受剪传递，剪力通过对接接头耳片挤压传递，螺栓不受力。有时为了传剪，也可以在接头腹板处增加一个垂直耳片对接接头，使剪力通过受剪螺栓传递。水平耳片叉耳连接接头开敞性好，连接孔便于精加工，维护时装卸方便，在歼-6、歼-7和歼-8以及国外的一些战斗机上有较广泛的使用。垂直耳片叉耳连接接头一般用在机翼结构高度较高的中、低速飞机上，中单翼高速飞机也有应用，此时连接螺栓沿航向水平放置。机翼的剪力和弯矩均通过螺栓受剪传递，水平剪力通过耳片挤压传递。当载荷较大时，可采用双耳片或多耳片连接，此时连接螺栓也需加粗。垂直耳片叉耳连接接头上、下耳片的形心间距较小，对承受弯矩不利，而且接头的连接孔精加工困难，维修时拆装不方便。

图3为机翼和机身连接的其他几种集中接头连接形式。图3(a)所示的是螺桩式连接接头，在机身对接框上伸出4个水平螺栓，插入机身的对接孔内。这种接头连接简单，而且不需要额外的连接段，曾在F-104得到过使用。图3(b)为单耳片接头，主要传递剪力。图3(c)齿垫式连接接头，其中齿垫可在垂直方向进行微量调节，是一种带设计补偿的接头形式，可以用来传递剪力。

中央翼盒与机身的连接中央翼贯穿机身的结构形式，机翼的对称弯矩传人中央翼后在中央翼平衡，而机翼上的反对称弯矩、扭矩和剪力则通过接头传给机身。这种结构形式质量轻、经济性好。旅客机和运输机通常采用中央翼盒贯穿机身的上单翼或下单翼布局与结构形式。中央翼与机身的连接形式有翼梁和框直接连接形式、翼梁和加强框过渡连接形式、嵌入式连接形式等几种。

图4(a)所示为缘条直接连接形式，在中央翼翼梁缘条加厚处，设置前后肢臂，每个连接点通过4个或8个螺栓与机身加强框外伸立梁接头直接连接，连接螺栓受拉力和压力。图4(b)和(c)则主要是通过角盒与机身框连接，机翼上的载荷通过螺栓受剪传递给机身。这三种连接形式结构简单，传力直接，故结构质量轻。图4(d)所示的是下单翼中央翼大梁和机身加强框构成一个整体，机翼上的载荷直接传给机身，结构质量也比较轻。

图5表示翼梁和加强框过渡连接形式。图5(a)所示为中央翼和中外翼汇交处的上缘条伸出双叉耳接头与机身加强框连接，中央翼就是机身的一部分。有些下单翼飞机，通过过渡接头把机翼翼梁和机身框连接为一体(如图5(b)和(c)所示)。图5(d)为上单翼中央翼梁的下缘条伸出一单耳叉接头与加强框伸出的双耳叉接头连接，螺栓顺航向水平放置，但是这种连接形式的结构质量较重。

嵌入式连接是中央翼盒嵌入机身的前、后两个加强框之间(如图6所示)，机翼翼梁上有较大的锻造接头，前、后梁上的锻造接头与加强框之间用4个空心销连接，载荷通过空心销受剪来传递。这种销是典型的铰接接头，既简单又易于安装。波音-707采用了这种连接形式，将机翼与机身对接在一起。1