泛談飛機機體機構的強度設計

秦恒飛

【摘 要】飛機機體是航空機載設備、系統的載體，在工程上分為主傳力結構、輔助傳力結構、錐形結構等，本文主要從薄壁結構件的穩定性設計、機體結構的剛度設計、結構抗振設計、抗腐蝕設計、機體結構的損傷容限設計、機體結構的耐久性設計等六個方面論述主傳力結構的設計特征及注意事項。

【關鍵詞】抗腐蝕；疲勞壽命；損傷容限；耐久性

飛機機體作為航空機載設備、系統的載體，在設計中受到諸如外形、總體布局、重量控制等諸多因素的約束。在滿足了這些約束條件后，機體結構還需滿足靜強度、剛度、振動環境、抗腐蝕、疲勞壽命、損傷容限、耐久性及結構可靠性要求。

機體結構工程上分主傳力結構、輔助傳力結構、維形結構等，本文主要論述主傳力結構的設計。

對于主傳力結構的布局，一般應遵循以下幾個基本原則：綜合考慮全機的傳力路線；主承力系統盡量設計成超靜定結構，以提高機體生存力；合理分配重量指標，綜合利用受力構件；集中力盡量靠近結構件剖面的剛心；盡可能讓傳力路線最短；傳力必須連續，構件剖面剛度變化盡量平緩，防止剛度突變；結構受力構件總體上簡潔流暢，細節上平緩精致。

1 薄壁結構件的穩定性設計

容易產生穩定性問題的結構形式主要有：桿、板、柱、筒。

桿：主要受通過桿軸心的簡單壓力或沿軸向分布壓力，呈歐拉失穩形式。

板：包括平板和較小曲率的曲板。薄壁結構中有許多形式的屈曲。除簡單受拉的情況沒有屈曲問題外，薄板在板中面內受壓、受剪，薄壁梁受彎、受扭，薄壁殼體受外壓等都會發生屈曲現象。

平板在屈曲后還能繼續承擔軸壓?？拷鞐l或緣條的那部分薄板，由于支承的限制，不能自由地凹凸，因而能有效地承受軸壓，而離兩側支承較遠的薄板，可以自由凹凸，幾乎不能承擔軸壓。一般認為在有效寬度以內的薄板，將隨同它附著的桁條共同承受軸壓。有效寬度以外的薄板則可認為不再受力。也就是說薄壁在失穩時并未毀壞，只是應力分布改變了，整個結構仍在繼續支承載荷，直到整體毀壞為止?？稍趶椥郧罄^續承載。

梁柱：同時受彎和受壓的桿件。這種桿件在側向力作用下產生彎曲撓度，側向撓度使軸向壓力產生附加彎矩，使側向彎曲增大，因此必須考慮側向力與軸向壓力的聯合作用。在彈性屈曲后，承載能力基本不變。

筒：是對抗屈曲能力較強的結構形式，圓筒受軸向壓力時抵抗屈曲的能力比平板要高得多，經典理論的結果是在假設圓筒具有理想幾何形狀下得到的，實際上由于初始缺陷和邊界條件的影響，試驗值比理論值要低得多。且在彈性屈曲后，承載能力急劇下降。

2 機體結構的剛度設計

剛度設計的需求是由靜變形、機械振動、靜氣彈、動氣彈、伺服彈性、氣動伺服彈及以上的綜合要求提出的。

在剛度設計中要考慮的載荷主要是彈性力、慣性力、氣動力和伺服力。在這幾個載荷中凡會與彈性力組合或耦合的都會涉及到結構剛度問題。

在以上這些對結構剛度的要求中，有些是可以兼顧考慮的，但有些是要產生矛盾的，比如顫振和副翼反效，希望加大主翼面剛度，但為了降低機身對突風響應則希望適當控制主翼面剛度。

因此，在機體結構的剛度設計中針對所有要求全面檢查、權衡利弊和各專業要求的余度，重點解決主要矛盾；結構剛度本身的強弱都有一個適當的度，可參考相關同類機種選擇，最重要的是解決好各環節的剛度匹配；結構中各部件，特別是活動部件的間隙，安裝精度對剛度影響甚大，尤其是伺服問題上；對操縱舵面變形計算和試驗的載荷工況中，必須包括局部載荷工況。

3 結構抗振設計

對結構而言，振動的危害主要是影響結構本身的功能（如質量分布安裝間隙不當影響顫振等要求的頻率）；不能滿足系統、成品對結構的安裝基礎要求，如成品使用的振動環境、管路、電纜過大的振幅與它們與結構之間的間隙不相容；振動疲勞對結構壽命的影響。因此在結構設計的過程中，要考慮結構件的固有頻率與振源激勵頻率之間應有足夠差值；壁板振動不僅影響振動強度，而且產生噪聲，改善壁板的支持剛度和壁板本身的法向剛度是防止壁板振動的主要方法，如加筋條的合理布局，改善屏格尺寸等。如為外露壁板，還要考慮氣流激勵；在振動環境下工作的構件，盡量選用韌性好，對缺口不太敏感，振動阻尼特性好的材料或結構形式；在振動環境中的構件，盡量避免用焊接件，尤其是普通焊接件；振動環境中的連接件，一般要用高精度螺栓，且應有隔振和防松措施；控制振動環境下工作的構件和安裝件（比如導管）的應力水平和振幅。振動譜與載荷譜不同，一般是高頻且應力比較大，與飛行小時關系不大，而與激勵源（如發動機）的工作狀態和工作時間有關。

4 抗腐蝕設計

4.1 腐蝕問題的種類

結構設計中主要面臨的腐蝕問題有應力腐蝕、疲勞腐蝕、剝落腐蝕、氫脆和鎘脆。

應力腐蝕：某些合金材料在恒定拉應力與腐蝕介質共同作用下，導致材料脆性斷裂，特別是高強度鋼和鋁合金對應力腐蝕敏感；

疲勞腐蝕：疲勞損傷處（如裂紋）與應力腐蝕損傷之間的相互作用；

剝落腐蝕：材料的表面層在加工中或使用中破壞或防腐處理層破壞；

氫脆和鎘脆：氫、鎘離子滲入金屬內部使金屬的韌性和抗拉伸強度降低，造成氫脆或鎘脆。氫脆在室溫下最敏感。高強度合金鋼對氫脆敏感。

4.2 抗腐蝕設計要點

1）在滿足基本要求的前提下，選用屈服強度較低、裂紋擴展常數較低、電導率高的材料；比如光滑試件的門檻應力和腐蝕應力強度因子高的材料抗腐蝕能力強；

2）控制好配合孔和配合面的間隙和平整度，防止腐蝕物和介質進入和殘存；

3）在容易積水積液部位，應安排排水液通道和排水孔，排水孔不能太小，排水孔應設在通道的低端；

4）在設計中要為外場表面防護留出足夠的間隙和通道；

5）適當利用抗腐蝕工藝方法，如滲碳、滲氮、冷擠壓、膠接等；

6）焊接件的焊縫應避免銼修，如不可避免，銼修面應防腐表面保護；

7）結構件裝配中，盡量避免銼修，如不可避免，銼修面應防腐表面保護；

8）鍍鎘的緊固件不允許與鈦合金直接接觸，也不能直接與碳纖維復材相連；

9）鋁合金結構上的鋼鉚釘或鋼螺釘應涂底漆；

10）在鋁合金結構上使用鍍鎘的凸頭螺栓時，在螺栓與螺帽之間應加隔離墊片，受剪螺栓加鋁合金墊片，受拉螺栓加鍍鋅鋼墊片；

11）抗拉強度超過1200MPa的鋼件不允許鍍鋅、鍍鎘；鈦合金不允許鍍鎘，也不允許與鍍鎘件直接接觸。

5 機體結構的損傷容限設計

損傷容限設計的總目標是確保含有損傷（裂紋）的結構在修理前的使用期內，其承載能力能滿足在此期間可能遭受的最大載荷，機體不會因為裂紋的存在而發生災難性破壞。損傷容限設計的主要對象是關鍵結構件。

5.1 損傷容限設計的主要內容

1）確定損傷容限關鍵部位；

2）可能遭受的最大載荷及在此載荷作用下已存在裂紋結構的剩余強度；

3）關鍵部位的裂紋擴展壽命和臨界裂紋長度；

4）結構中存在的初始裂紋長度（原材料和加工固有部分以及檢測手段無法檢測到的兩部分）。

5.2 損傷容限設計技術要點

1）結構形式特別是主傳力通道的結構構形和選材；

2）針對所選材料和構件形式進行損傷容限試驗；

3）損傷容限計算分析：編制載荷譜或應力譜、應力強度因子計算、裂紋擴展計算、剩余強度計算；

4）選擇裂紋檢測手段（設備配置）；

5）特種疲勞增強措施及新工藝方法；

6）質量控制程序。

5.3 損傷容限設計的幾點基礎知識

損傷容限設計、計算和試驗都是建立在斷裂力學理論基礎上的；損傷容限結構一般分為兩大類：緩慢裂紋擴展結構和破損安全結構（多通道傳力和安全止裂）。

1）緩慢裂紋擴展但不可檢結構

確定的臨界裂紋長度應低于整個壽命期或大修期可能會擴展的裂紋長度，設計時選用裂紋擴展速率低、斷裂韌性好的材料；控制包括應力集中因素在內的應力水平；充分的試驗驗證。

2）緩慢裂紋擴展并可檢結構

結構在使用中出現的裂紋可被檢測而且可修復或更換。裂紋長度應按可檢級別（場站可檢、大修可檢）分級。

破損安全多通道結構，要求結構在主傳力途徑結構失效后，殘存結構仍能承擔修理前使用期內可能遭受的最大載荷。

破損安全止裂結構，壁板上的桁條或加筋條是很典型的止裂結構形式，但能否達到預期的止裂效果，是需要在靜強度和剛度設計思想上增加損傷容限思想才能達到。裂紋擴展到桁條或筋條處時，板上載荷向桁條或加筋條上轉移，使板的剩余強度提升。適當的多層結構可使其中一層出現裂紋時，當裂紋擴展到與之相連的緊固件孔邊，孔起止裂作用，同時緊鄰的一層“接力”傳載，提升了有裂紋層的剩余強度；多排鉚釘結構。

5.4 對結構或結構圖進行損傷容限評估檢查時要注意的因素

確定主傳力結構的范圍并檢查其與損傷容限設計原理和方法的符合性。

多通道設計思想是否清晰，是否有故障設定的傳力計算結果，計算模型是否合理（如建模、支持邊界、載荷邊界等）；

不可檢緩慢裂紋擴展結構的計算和試驗結果；結構上的應力集中因素、腐蝕環境及其應對措施；應力控制水平是否合適；

可檢緩慢裂紋擴展結構的裂紋檢測手段及與之配套的檢測通道是否可行；

普查各止裂措施的狀況，如壁板、梁緣條、框梁腹板上的開孔和加勁柱、傳力結構通道打斷后的連接區。

壁板：整體壁板如處在油箱等密封區，不允許產生穿透性裂紋。處于受壓區的壁板應首先進行穩定性分析，確保筋條能有效隔波，然后檢查筋條是否存在總體失穩和局部失穩隱患，這是筋條能否有效止裂的靜強度基礎。

筋條尺寸與板厚的匹配是否滿足設計原則的要求：根據有限元計算結果檢查蒙皮與筋條的載荷分配；

梁緣條：梁緣條往往與直立隔板或肋相連，同時又是壁板的支持邊。由于梁的剛度一般較大，既是傳力通道上載荷“分配器”，又是壁板等結構件所卸載荷的“承接”對象，梁緣條上的連接孔幾乎是梁上所有載荷的入口。由于梁緣條上連接孔上的載荷是不均勻分布的，要著重檢查計算報告和試驗結果，確定這些連接孔的關鍵孔位，并檢查該處孔徑與緣條厚度、邊距等的匹配性，緣條孔的可檢性和維護性以及特種工藝的試驗驗證情況。

框梁壁板上的開孔和加勁柱：框梁的腹板上由于成品、管路、電纜等的安裝和通道而需開孔。檢查其是否符合抗疲勞細節設計原則：如孔的位置、形狀、是否出現小孔或大孔、過渡區附近的連接孔是否傷及圓弧區；立柱的安排能否隔斷失穩半波長；與腹板相連的立柱是否與梁緣條根部R區干涉（比如是否有立柱尖角與R區相摩擦）；

在縱、橫向構件打斷處的連接角盒：為了保證主傳力通道上構件的傳力暢通，在縱橫向構件交接處往往需打斷橫向件或縱向件，確定哪個構件斷，除了設計技術上因素外，往往還有工藝上的需要，比如縱向型材太長，不便加工和保證平直度，以及成本上的因素，對不同的斷法，都需要用轉接盒確保傳力路線暢通。如縱向件斷，由于需傳遞拉壓載荷和彎矩，角盒上的連接件往往受拉壓；如果橫向件斷，連接件一般受剪切為主。

6 機體結構的耐久性設計

結構的耐久性是結構的一種基本品質。它代表在規定使用期內結構抵抗疲勞開裂、熱退化、剝離、磨損和外來損傷的能力。它的設計目標是經濟壽命而不是安全壽命。它涵蓋的是產品的整個服役期。所謂經濟壽命，就是在機體已出現大范圍的嚴重損傷，不經修理已嚴重影響產品的使用，但修理又不經濟（修理費用，停用時間產生的代價比剩余壽命所產生的效益大）這時的壽命稱為經濟壽命。

由于耐久性設計還處于不斷發展階段，目前國內的主要耐久性設計研究對象還主要限于連接孔和類似整體油箱一類的結構件。耐久性設計是在疲勞設計和損傷容限設計基礎上加入經濟性的考量發展起來的。

7 總結語

飛機機體是航空機載設備系統的載體，工程上分為主傳力結構、輔助傳力結構、錐形結構等，本文主要從薄壁結構件的穩定性設計、機體結構的剛度設計、結構抗振設計、抗腐蝕設計、機體結構的損傷容限設計、機體結構的耐久性設計等六個方面論述主傳力結構的設計特征及注意事項，對飛機機體結構的強度設計具有一定的指導作用。

[責任編輯：湯靜]