飞机普通框及其对接形式的分析

胡 斌 石鹏飞 刘世群

（中航工业股份有限公司 汉中飞机分公司设计研究院，陕西 汉中723000）

0 引言

现代运输机机身均为由横向隔框、纵向长桁或梁和蒙皮组合而成的半硬壳式结构。而横向隔框的结构形式，纵向构件的剖面形状，不同区域蒙皮的状态，以及蒙皮与隔框、纵向构件的连接形式，采用何种结构形式的连接剪力片、止裂板的配置及其诸构件布置是否合理，对于结构能否减缓裂纹的产生和扩展，能否充分发挥每个结构件的材料潜能，都会产生较大的影响，因此机身结构形式的确定及其构件之间连接方式的选择是结构设计中很重要的环节。

通常机身结构都是采用简单、可靠性强、风险小而且经过了实践考验的传统结构形式和连接方式，采用损伤容限、耐久性设计准则，同时在细节设计上采取各种抗疲劳裂纹的设计措施， 以提高结构抗开裂、腐蚀及意外损伤的能力，从而提高结构的耐久性。主要结构还应尽可能采用多路传力的结构布局和止裂技术，从而提高结构壁板的损伤容限特性。

目前美国的波音公司和欧洲的空中客车公司的系列飞机机身均为半硬壳式结构，但是机

身结构中的普通框的组合结构形式又都各不相同。但这些结构形式都满足适航条例的要求，而且也都经过了大量试验验证和长期飞行实践的考验，证明是成功的设计，具有良好的抗疲劳开裂、抗腐蚀和抗意外损伤的结构品质。

麦道系列飞机机身的普通框是。由Z 形剖面和L 形剖面板弯件铆接而成，框缘为不直接与蒙皮相连的“浮框式”，L 形剪切角片与蒙皮相连可起到一定的止裂作用，以防止在环向应力作用下纵向裂纹的扩展。但框缘直接与长桁弯边相连，在座舱增压时，被连接的长桁弯边会因偏心而易产生裂纹。 波音飞机（如波音747）的机身结构使用了框、角片分别与帽形长桁的直边两侧相连，就很好地解决了麦道飞机存在的上述问题，并且用框加强型材的方式很好地补偿了由于长桁通过给框腹板带来的开口削弱，也就防止了框腹板开口处裂纹的产生。 而空中客车系列飞机的机身结构则是利用L 形板弯件与框桁角片合二而一的剪力片，将蒙皮、框腹板和长桁连接起来。 经过大量的试验验证，它不但具有与波音、麦道飞机机身结构同样的功能，而且减少了零件的数量，便于协调、装配。 乌克兰的安-12 飞机采用了S 形剖面和L 形剖面板弯件铆接而成，框缘同样为不直接与蒙皮相连的“浮框式”，用角片将框腹板和长桁立边连接。

1 框的布置

普通框是机身横向骨架的主要构件， 通常情况下在机身的等剖面段，即机身的前中段和后中段，都是以508mm(20in)或483mm(19in)沿机身纵向等间距布置的。 在等剖面段等间距普通框的布置不但有利于工艺而且在以后的机身座舱需要加长或缩短时，都会带来很大的方便。

在机身与机翼前、后梁对接框之间，即机身中央翼段，普通框的布置受到总体布局、翼上应急出口安排的限制，应按照实际结构情况进行布置。

机身前段则采用密框距布局，主要是由机身前段的载荷状态和驾驶舱风挡构型而确定，其框距大约在250-310mm 不等。

机身后段的普通框的布置比较复杂，它主要受到水平尾翼和垂直尾翼总体布局的影响，考虑尾翼与机身的连接、尾翼的结构布置，甚至机身尾部发动机的安装等因素，除了正常布置的普通框外，在垂直尾翼连接区域还会布置斜框。

多数普通框都是Z 形和L 形剖面的板弯件组合体， 其材料为2024-T42 或LY12-CZ， 材料厚度， 机身上部普通框厚度比下部小一级。普通框的结构剖面尺寸主要取决于框的结构刚度不会引起机身的总体失稳。

2 安-12 飞机普通框框缘具体分为两种

一种是S 形板弯构成；另一种框缘是由2 个型材和腹板组成的S形框。 在壁板装配中由于壁板分块、工艺要求等元婴需要对普通框分段，并在分段处进行对接；连接件一般用LY12 材料的带班和连接板。

因框缘形状的不同，具体对接形式也不一样，连接形式也不一样，总的说来，分为以下几种：

2.1 板弯框缘与板弯框缘的对接

板弯框缘与板弯框缘在长桁处对接，内框缘外侧用一长条形带板连接，外框缘在弯边内侧用角材连接，补偿片延伸至下一长桁边缘处，以保证框缘腹板面的连接。

2.2 型材框缘与板弯框缘在长桁处对接

型材框缘与板弯框缘在长桁处对接， 内框缘外侧用连接板连接，外框缘处在板弯框缘与型材框缘立边外侧用连接板连接；补偿片延伸至卜,一长桁边缘处，以保证框缘腹板面的连接；在补偿片上，框缘对接处连接一加强板，以增加对接处腹板强度。

2.3 型材框缘与型材框缘的对接

型材框缘与型材框缘在长桁处的对接形式与型材框缘与板弯框缘的对接形式类似，内框缘外侧用连接板连接，外框缘处在型材框缘立边外侧用连接板连接；补偿片延伸至下一长桁边缘处，以保证腹板面的连接；在补偿片上对接处连接一个加强板，以增加对接处腹板强度。

3 校核对接强度

框缘对接是典型的板弯框缘与板弯框缘的对接，内框缘外侧是由材料为LY12-δ3 的铝合金连接板和3 个Φ4 铆钉连接，外框缘内侧是由材料为LY12-δ2 的铝合金角材和3 个Φ4 铆钉连接。

Φ4 铆钉许用剪切载荷[P]=314kg

根据强度报告，内框缘σ1=509.4kg/cm2

内框缘面积A1=0.57cm2

单个铆钉剪力P1=σ×A1/3=509.4×0.57/3=96.8kg

单个铆钉剩余强度系数η=[P]/P1=314/96.8=3.24

外框缘σ2=287.2kg/cm2

外框缘面积A2=0.57cm2

单个铆钉剪力P2=σ×A2/3=287.2×0.57/3=54.6kg

单个铆钉剩余强度系数η=[P]/P2=314/54.6=5.75

因此，此处对接强度满足要求。

［1］飞机设计手册:第9 册 载荷、强度、刚度[M].航空工业出版社.