现代飞机机身与垂尾连接结构设计研究

1、现代飞机机身与垂尾连接结构设计研究 现代飞机机身与垂尾连接结构设计研究 摘 要机身与垂尾连接设计是飞机结构设计的难点之一，连接设计的合理性直接影响结构设计重量、零件加工难易程度，结构部件对接工艺性和维护性能等。本文着重讨论：现代飞机机身和垂尾连接接头的常用构型和连接形式，以及各种形式的优缺点和选择这些结构形式时的考前须知，并对未来的开展趋势作出预测。 关键词机身与垂尾连接设计；接头 中图分类号：V223 文献标识码：A 文章编号：1009-914X08-0341-01 1 前言 航空技术的飞速开展，飞机性能的提高以及民航市场上的剧烈竞争，使飞机结构设计思想不断地更新。长寿命、高可靠性、低本钱、

2、经济维修性已经成为飞机结构设计过程中及其重要而又必须遵循的准那么。 机身与垂尾连接设计是飞机结构设计中最重要的环节之一，尤其是连接接头的构造和连接设计。这是因为一方面机身与垂尾连接接头是飞机结构损伤容限设计的关键件，如果它失效将会给飞机带来致命的灾难；另一方面，优秀的机身与垂尾连接接头设计不但能有效地传递垂尾载荷，减轻飞机结构重量，而且能为后续结构维护带来方便，进而给用户创造良好的经济效益。现代飞机的垂尾大多是后掠的，所以垂尾的梁也大多为后掠布置。一般情况下，机身与垂尾连接结构承受的载荷主要有：垂尾弯矩引起的轴力，剪力以及扭矩引起的剪流在根肋上转化成的力偶。 2 连接形式 机身与垂尾的连接形式

3、与垂尾的结构布局形式有关。主要分为两类：一类采用耳片接头与框连接，另一类为固定式连接。 2.1 固定式连接 固定式连接的特点是连接时传力点分散，螺栓数量较多。它的优点是无需特制连接接头，机身框与垂尾直接对合后用螺栓连接，此时连接螺栓主要受拉，能充分发挥垂尾根部蒙皮的承力效率，减轻结构重量；其缺点是增加装配工作量，不能传递较大的集中力和力矩。但缺点是在传剪力时效率不高，螺栓传弯时受拉，对疲劳强度也不利。 2.2 耳片接头与框连接 此种连接形式使用广泛，其特点是垂尾通过其梁、墙根部的接头在框平面内或在垂尾的两个侧面与机身多个框用螺栓连接。其优点主要是能传递较大的力和力矩，充分利用梁结构效率，减小装

4、配工作量，从而提高飞机的维护性；缺点是根部蒙皮承力作用不能充分发挥，机械加工量大，材料利用率较低。常用的耳片形式主要有以下两种： 2.2.1 垂直耳片 耳片沿框轴线布置，机身和垂尾分别采用双耳和单耳配合连接，连接螺栓沿顺航向水平放置，连接接头在传递剪力和弯矩时，螺栓均受剪。此种连接优点是安装与拆卸垂尾时可用一边的前后接头作为旋转轴向机身侧方倾倒，便于吊运；缺点是连接孔加工困难，维修时拆装不方便，同时由于此种耳片承受沿航向的作用力有限，必须设置其它类型接头来传递，增加了结构重量。 2.2.2 水平耳片 机身和垂尾分别采用双耳和单耳配合连接，连接螺栓垂直航向放置，接头在传剪时，螺栓不受力，主要靠机

5、身与垂尾耳片配合面的相互挤压传递，传弯时，螺栓受剪。此种连接优点是：接头开敞性好，连接孔便于精加工，维护方便，能有效地传递所有方向的载荷；缺点是结构形式复杂，配合要求高。 3 设计时需考虑因素 机身与垂尾连接设计考虑的因素主要包含强度计算方法及连接接头选择等内容。常用的接头形式主要是耳片式，从结构力学观点看，连接接头往往是很大载荷通过点，零件破坏又恰恰多从接头开始，计算接头的根本任务是将力如何传到受力构件上去。一般来说，接头受力是屡次静不定系统，以目前的计算手段，暂时无法获得其精确力值.在工程设计阶段，我们只能对其采取一些简化措施，得到其近似结果。在计算结果上，又常常根据结构件的实际受力情况、

6、材料性能、工艺误差等附加以不同的平安系数，从而实现结构设计平安。 耳片接头破坏的主要形式为：耳片拉断、耳片剪断.耳片的挤压、螺栓的挤压和剪断。接头间的连接通过螺栓抗剪、抗拉的形式将垂尾上的所有载荷传递给机身，剪力是直接通过接头耳片的挤压或者螺栓的剪切进行力的传递。接头的强度计算可参考型号强度计算原那么及有关资料.现着重讨论以下几个问题： 3.1 耳片形式的选择 耳片形式选择时主要考虑连接区的有效宽度、耳片精加工和装配难度等因素，选择单耳片结构形式时，为了实现同样的挤压强度，单耳片必须设计得很厚。耳片过厚，校核螺栓强度时，就不能简单地计算剪切强度或拉伸强度，还需考虑螺栓由于耳片过厚引起的附加弯曲

7、，当耳片很厚时附加弯曲引起的附加应力往往很大，应引起足够的重视。相反，增加耳片个数，可以降低螺栓的剪切应力和附加弯曲，但这样做的后果不仅会增加加工和装配的难度，而且会增加受载时耳片的不均匀系数，这就给强度校核带来更多的不确定性。 3.2 耳片的最小边距 耳片的最小边距是指在保证强度要求下，给出零件圆孔在加工、装配和使用时所允许的最小边距。选择耳片时必须考虑维护使用要求，否那么，在维护过程中，因耳片故障需要扩大孔径时，只能靠降低耳片的平安系数来解决，这样会对飞机正常使用产生一定的影响。总的来说，强度最低要求的边距才是使用允许的最小边距。至于零件加工和装配用的最小边距取多大的数值合理，跟工艺技术水

8、平和施工的开敞性有密切关系，加工余量越少越好，以免增加不必要的结构重量. 3.3 对接时各交点的工艺补偿 为了更好地保证飞机各部件的互换性，从零件设计到装配都应考虑补偿。目的是在飞机制造过程中，无需对接头、零组部件进行任何加工修正，就可以调整部件间的相对位置和工艺使用要求。对于多交点连接结构，结构设计人员通常采用增加偏心衬套、预留配合间隙，允许锉修或加垫等补偿措施来保证设计要求， 4 结束语 综上所述，现代飞机机身与垂尾的连接多采用耳片连接形式，这一方面有利于机身与垂尾的装配连接，另一方面也有利于今后的维护检查，提高经济性、耐久性。 在连接接头选材方面，以往常采用铝合金，随着飞行载荷的增大，铝合金材料的耳片区很难满足挤压强度，现在已大量选用力学性能更优的钛合金材料。为了不断提高产品的竞争力，一些飞机型号已经开始应用集质量轻、抗腐蚀和疲劳