固定翼飞机中央翼结构设计研究

1李倩2史钟琪

关键词：固定翼飞机；中央翼；结构设计

引言：通常情况下，在固定翼飞机中央翼结构设计当中，所使用的材料、布置结构等会在不同程度上影响着固定翼飞机中央翼的有效性和结构安全性。因此为了能够尽可能延长固定翼飞机中央翼的使用寿命，将其可能出现损伤和故障问题的可能性降至最低。本文将通过对其关键结构进行设计分析，结合国内外典型客机结构进行简要说明。

一、中央翼结构的具体特点与布局设计

（一）具体特点

从飞机两侧位置处传递出的弯矩、剪力以及扭矩均需要由中央翼来承受，因此需要中央翼结构具有较高的强度以及刚度。不同于悬臂式等在根部位置处有较大弯矩的机翼，通过将中央翼结构设置在机身的上部位置处，使其可以与两侧机翼成为一个有机整体，便可以令整个机翼成为一个支持在机身上、两端外伸的双支点梁结构，以此有效避免出现集中接头连接机身传递荷载所导致的结构沉重、复杂化问题，有助于帮助飞机实现传力路线的进一步优化[1]。

（二）布局设计

通过对当前我国已有的固定翼飞机中央翼结构及其设计进行观察，可知其多数情况下呈双梁结构形式，位于中机身18至20框之间。其结构部件一般包括前梁和后梁、蒙皮以及接头等，中央翼前梁为机身18框的下半框，而中央翼后梁则为机身20框下半框。上壁板受压，下壁板受拉，上壁板易失稳：理论上上壁板长桁数量应多于下壁板；但考虑中央翼内部连接问题，大部分机型采用上下长桁根数相同，且位置一致。沿着弦向可以将上蒙皮板件和下蒙皮板件分别分成三大部分，其中在上蒙皮板件的中间位置处共计会设有检查口盖，而加强肋和普通肋则共同构成了翼肋。下图为A380中央翼侧面剖面图：

二、固定翼飞机中央翼结构设计分析

（一）中央翼梁

考虑到在固定翼飞机中央翼结构当中，机身同机翼之间一般呈现为半嵌入式，因此为了能够将机身连接框和中央翼梁结合在一起，作为一个完整体进行设计，因此在对固定翼飞机中央翼结构进行设计的过程当中，可以将前梁与后梁同机身的18框和20框上半框作为整体机加框。利用螺栓将中央翼前梁牢固连接机翼前梁接头，并采用同样的方式将机翼后梁接头同中央翼后梁进行牢固连接。随后通过利用强度相对较高的材料，譬如7050T7451等进行机加以此有效保障中央翼梁能够与相关承载标准要求相吻合。

（二）蒙皮板件

整体机加壁板作为蒙皮板件，在对其进行设计的过程中需要设计人员严格参照相关设计标准要求以及破损安全设计原则，但由于零件毛料厚度会产生一定的限制影响，因此本文在对固定翼飞机中央翼结构进行设计的过程中选择使用板件分段构型。通过将前、中、后三段板件共同组成上蒙皮板件，使得任意一块板件均可以成为整体机加带长桁壁板，利用搭接的方式将前、中、后板件进行牢固连接。将3个检查口盖依照设计要求设置在中段板件位置处。在进行下蒙皮板件设计时也采样相同的方法，但在连接三段板件时则需要利用连接长桁，使用对接的形式以此保障连接的牢固度[2]。

在按照损伤容限设计原则下，设计人员在选择上板件和下板件的连接形式与材料时，需要充分考虑二者自身具备的载荷性质，有针对性地对连接形式和上下板件材料进行挑选。根据受力分析我们可以有效明确，在上板件当中其需要承受较大的轴向压缩载荷，因此通常不会出现较为严重的疲劳问题，出现裂纹甚至裂纹扩展的可能性比较低，故而可以建议选用7050铝合金这一材料，虽然其在抗裂扩展方面并不具备明显优势，但具有较高的压缩强度。在灵活使用搭接的方式下，可以提高固定翼飞机中央翼结构的简易性，便于工作人员的后续装配。而在下板件当中其通常需要承受较大的轴向拉伸载荷，因此比较容易出现各种各样的疲劳问题，出现疲劳裂纹的可能性极大，故而建议在设计过程中运用2024铝合金等具有较高抗拉强度的材料，在连接过程中需要在运用长桁的基础上搭配使用对接的方式。虽然此种方式将会使得结构复杂度大大提升，为后续装配增加了一定难度，但其能够保持良好的止裂性，有助于提高结构的抗疲劳性。

通过使用围框接头的方式连接板件和机翼，并在过渡区使原本厚度为8mm的蒙皮可以平滑过渡至4mm，在同一位置处使原本厚度为7mm的长桁可以平滑过渡至5mm。同时在将检修口盖设置在上板件时，将开口设计成椭圆形状并适当增加开口周围的蒙皮厚度，一方面可以在对蒙皮和长桁进行厚度过渡下达到防止刚度突变，优化结构承载性能和减重的目的，另一方面使用椭圆状的开口也有助于控制工作应力，将出现疲劳损伤的可能性降至最低。

（三）翼肋与接头

分别由2个和5个加强肋与普通肋组合而成的中央翼盒段当中，整体机加肋为设置于连接机身纵梁位置处的弦向集中载荷处的2个加强肋，负责对纵梁集中载荷进行有效承载。其余普通肋则充当钣金铆接肋组件，鉴于翼肋之间有效相对较大的间距和空间，因此也为后续的装配与维护创造了有利条件。而在中央翼当中分别在各盒段角点处设置了8个接头，负责对集中载荷进行传递。因此在设计过程中建议使用具有高强度的金属材料，如7050铝合金等等。各个接头需要利用高锁螺栓将蒙皮板件同中央翼梁进行牢固连接，在与外翼梁缘条进行连接的过程中则需要使用具有可拆卸功能的螺栓，进而使其能够承载外翼弯矩处生成的轴向拉压载荷，再将其传递至中央翼板以及中央翼梁位置处，同时也为后续的维护管理提供便利。另外，为了保障中央翼和外翼连接具有足够的牢固度，以达到提高飞机安全可靠性的目的，还需要立足实际情况使用内翻边围框连接的方式，于机翼内部使用若干螺栓进行有效连接。

结束语：通过本文的分析研究可知，飞机中以中央翼为主承力结构，考虑其自身的特殊性，需要在对固定翼飞机中央翼结构进行设计的过程中，充分结合相关设计标准要求，并严格参照具体的结构受力特点等信息进行材料和结构设计，在尽可能为后续运维管理提供便利的基础上，保障中央翼结构具有较高的安全性和抗疲劳性。

参考文献：

[1]史晓辉.一种民机水平尾翼中央翼盒结构的设计与分析[J].山东工业技术，2015(07):29-31.

[2]飞机设计手册总编委会.飞机设计手册第十册结构设计[M].北京：航空工业出版社，2000.