趙 莉，楊學(xué)萌

(中航工業(yè)沈飛民用飛機有限責任公司 工程研發(fā)中心,沈陽 110013)

鉸接的特點及其在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

趙 莉，楊學(xué)萌

(中航工業(yè)沈飛民用飛機有限責任公司 工程研發(fā)中心,沈陽 110013)

以鉸接為主要對象，研究鉸接的特點及其在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用。介紹了鉸接的原理及假設(shè)理想鉸接的意義和方法，分別對飛機主起落架、機身中部地板梁、翼身整流罩拉桿設(shè)計中采用的典型鉸接結(jié)構(gòu)進行了力學(xué)模擬簡化，分析了鉸接對結(jié)構(gòu)之間傳力模式轉(zhuǎn)化起到的作用和對結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計的影響。說明鉸接可以使結(jié)構(gòu)部件之間獲得較好的柔性連接，避免關(guān)鍵結(jié)構(gòu)承受有害載荷，在飛機結(jié)構(gòu)中應(yīng)對結(jié)構(gòu)連接進行合理設(shè)計，以提高結(jié)構(gòu)效率。

鉸接；飛機結(jié)構(gòu)；設(shè)計應(yīng)用；簡化模型；受力

飛機結(jié)構(gòu)是由若干個零部件通過各種形式連接在一起的組合式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)之間通過連接進行力的傳遞、載荷的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的承載功能。隨著航空科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及飛機綜合性能需求的不斷提高，更高的可靠性[1-2]、長壽命、高出勤率和低維修成本的綜合要求已成為現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計重要且必須遵循的準則。如通過設(shè)計短而多途徑的傳力系統(tǒng)布局和止裂結(jié)構(gòu)實現(xiàn)損傷容限、破損安全要求；加強對應(yīng)急著陸、墜撞等過載工況的考慮，結(jié)構(gòu)上充分保護座艙人員和避免燃油泄露；考慮避免對會造成災(zāi)難性破壞的結(jié)構(gòu)施加集中力載荷等。這些對飛機結(jié)構(gòu)涉及到的各種不同剛度問題分別提出了不同要求，需要通過一定的結(jié)構(gòu)布局和連接形式得以實現(xiàn)和改善。本文通過對飛機結(jié)構(gòu)中使用的鉸接案例進行分析，說明其在結(jié)構(gòu)中的利用和起到的作用。

1 鉸接介紹及特點

鉸接是結(jié)構(gòu)之間連接的一種力學(xué)形式，結(jié)構(gòu)表達就是使用“鉸”結(jié)構(gòu)進行的連接，如鉸鏈，耳片，軸承等。在工程概念中，“鉸”是相對“剛”而言，鉸接相對于剛性連接稱為鉸性連接或是柔性連接。結(jié)構(gòu)之間的連接形式通常包括鉸性連接、半剛性連接和剛性連接，結(jié)構(gòu)之間的連接可以看作理想的鉸接或完全的剛接兩種連接形式。理想鉸接結(jié)構(gòu)認為是在外力作用下，軸線夾角的改變量達到理想鉸接的80%以上。也就是說，作為鉸接的節(jié)點其特性可以是不完全的鉸接，只要節(jié)點處的抗彎剛度遠低于元件本身的抗彎剛度也可視為鉸接。因此，鉸接的結(jié)構(gòu)的特點在結(jié)構(gòu)變形上，限制了在連接結(jié)點處的相對平動，但不限制其轉(zhuǎn)動；在受力上，結(jié)構(gòu)之間沒有彎矩的傳遞，只傳遞剪力。

2 飛機結(jié)構(gòu)常見鉸接

在飛機結(jié)構(gòu)中鉸接一般應(yīng)用于活動部件，升降舵、方向舵、副翼、襟翼、起落架、艙門、擾流板、維護口蓋等和飛機主結(jié)構(gòu)鉸接連接的部件。圖1為機身貨艙門鉸鏈結(jié)構(gòu)，圖2為襟翼活動面鉸接結(jié)構(gòu)。

圖1 鉸鏈式貨艙門

3 理想鉸接的簡化

飛機結(jié)構(gòu)分析過程中，由于元件之間的連接關(guān)系復(fù)雜、靜不定度高，載荷通過鉸接零件之間的接觸、擠壓、摩擦等方式傳遞，載荷-位移關(guān)系具有明顯的非線性特點，即隨著鉸鏈結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，鉸接結(jié)構(gòu)力學(xué)特征將發(fā)生很大的變化，其鉸接剛度是非線性的。鉸接結(jié)構(gòu)的響應(yīng)在一定情況下可能出現(xiàn)多值現(xiàn)象，給分析受力帶來很大不便，甚至無法計算。對于這類鉸接結(jié)構(gòu)一般需要進行非線性模態(tài)分析[3]和試驗驗證。

圖2 襟翼鉸接活動面

在結(jié)構(gòu)設(shè)計初期需要對具體結(jié)構(gòu)進行一定簡化和理想化[4]的處理，實際結(jié)構(gòu)中所采用的鉚接、螺接或焊接等連接方式，按其受力及構(gòu)造特點簡化為理想鉸接、滑鉸或剛接等。例如機身長桁可以按桿系結(jié)構(gòu)中的桁架結(jié)構(gòu)來分析，假定桿與桿之間是通過理想鉸鏈節(jié)點連接在一起，如圖3所示。這一假設(shè)的力學(xué)含義是，這種形式的結(jié)構(gòu)在鉸接節(jié)點處的彎曲力矩很小，可以略去不計，即長桁只承受沿桿的軸線作用并施加在桿兩端的集中力[5]。

圖3 機身長桁簡化

4 鉸接在飛機結(jié)構(gòu)改進中的應(yīng)用

在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要明確結(jié)構(gòu)的主承力件以及關(guān)鍵件，裝配過程也要識別具有關(guān)鍵特性[5-6]的關(guān)鍵控制零件。設(shè)計同時考慮傳力方式和總體傳力路線、損傷容限/破損安全、疲勞，以及維修維護問題。經(jīng)對比研究發(fā)現(xiàn)，隨著技術(shù)的發(fā)展和設(shè)計思想的變更，現(xiàn)代飛機在早期飛機的基礎(chǔ)上對主起落架、地板梁、整流罩的連接結(jié)構(gòu)都進行了改進，其中最為顯著的就是都將與機身相連的固接改為了接頭連桿或接頭耳片結(jié)構(gòu)即鉸接結(jié)構(gòu)，說明在現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)中鉸接的應(yīng)用已經(jīng)成為解決結(jié)構(gòu)連接問題必不可少的一種方式。下面對這些比較重要結(jié)構(gòu)部件的鉸接進行說明和分析。

4.1 主起落架連接結(jié)構(gòu)

主起落架[7-8]位于外翼中部下方，承受并傳遞著陸載荷。起落架上的載荷通過主起梁的彎曲傳至梁兩端，再傳到機身和機翼上。對于主起梁兩端的連接，波音737、757及以后型號的飛機都采用單銷鉸接接頭，主起梁和機翼后梁相連的兩個穩(wěn)定桿兩端也同時使用鉸接接頭，在與機身框連接端設(shè)置一個擺桿，結(jié)構(gòu)形式[9]見圖4，主起梁連接簡化模型見圖5。這樣的布置簡化了梁兩端的受力，便于梁的安裝和拆卸，避免主起梁偏轉(zhuǎn)引起穩(wěn)定桿端頭的彎矩。如果兩端固接會導(dǎo)致主起梁參與機翼總體受力[10]，機翼機身相對變形對主起落架接頭產(chǎn)生載荷，對梁的受力要求較高，機翼疲勞問題會相對嚴重。除此，固接接頭耳片與螺釘連接變形復(fù)雜，甚至會超出材料的彈性區(qū)而進入塑性區(qū)，材料承載能力將有所下降，其承載能力將轉(zhuǎn)移到其臨近的材料上。螺栓在剪力、軸力和彎矩的綜合作用下，發(fā)生接觸進入塑性的材料區(qū)域，成為薄弱部位[11]。

圖4 外翼主起落架連接結(jié)構(gòu)

4.2 地板縱梁支持結(jié)構(gòu)

地板縱梁是客艙地板、座椅的主要承力構(gòu)件，保護乘員的安全。在前后機身艙段，地板縱梁通過地板立柱、橫梁構(gòu)成支撐結(jié)構(gòu)。位于機身中部機艙段地板縱梁，下部通過腹板梁與中央翼盒相連，如圖6。對于地板縱梁與腹板梁之間的連接，空客A320使用連桿設(shè)計(見圖6)。這種結(jié)構(gòu)形式不僅對中央翼盒上翼面起到了維形、對地板縱梁的支撐作用，同時避免了地板縱梁承受外翼產(chǎn)生的彎矩，不會對客艙地板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害影響。而且簡化了地板縱梁的受力形式，其簡化模型和限元模型見圖7、8。

圖5 外翼主起落架簡化受力模型

圖6 中央翼盒上方地板縱梁支持結(jié)構(gòu)

圖7 地板縱梁簡化受力模型

圖8 地板縱梁有限元模型

4.3 座椅滑軌連接結(jié)構(gòu)

鉸接也可用于座椅滑軌的縱向連接，特別在機身中間部段，為了避免中部地板梁將翼盒載荷傳到前后機身產(chǎn)生不良過載，通常采用耳片接頭[4](如圖9)。耳片接頭只承受軸向、橫向或斜向外載荷，不承受彎矩，也稱剪切型耳片[12]，可理想化為鉸接。如圖10為地板梁受力簡化模型，兩端鉸接接頭簡化為鉸支節(jié)點。通常耳片設(shè)計往往偏于安全，往往在重量上超過固接結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)空間及重量的限制，適當減小耳片結(jié)構(gòu)尺寸，以不至于相比固接增重過多。

圖9 地板梁縱向連接結(jié)構(gòu)

圖10 地板縱梁鉸接簡化受力模型

4.4 翼身整流罩拉桿結(jié)構(gòu)

翼身整流罩用以改善機身氣動外形，整流罩通過支撐結(jié)構(gòu)和接頭與機身連接。整流罩屬于非增壓區(qū)，整流罩作為次承力結(jié)構(gòu)，要減少參與機身結(jié)構(gòu)的傳力，主要承受外部氣動載荷以及機身承受向前9 g、側(cè)向3 g載荷[12]。以下對整流罩內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)的腹板梁固接和拉桿鉸接進行對比分析。

(1)腹板梁作為支撐結(jié)構(gòu)的固接方式

腹板梁占據(jù)更多整流罩內(nèi)部空間，導(dǎo)致系統(tǒng)布置空間狹小，使裝配協(xié)調(diào)以及維修維護困難；支撐結(jié)構(gòu)直接承受機身向前9 g、側(cè)向3 g載荷轉(zhuǎn)化過來的力和力矩，會使支撐結(jié)構(gòu)另一端的骨架和整流罩提前產(chǎn)生裂紋損傷和破壞[13]。

(2)拉桿接頭作為支撐結(jié)構(gòu)的鉸接方式(如圖11)

拉桿細小，增大了整流罩內(nèi)部空間易于較大系統(tǒng)布置，使裝配協(xié)調(diào)以及維修維護更加容易；拉桿通過接頭與機身鉸連接，只承受拉壓應(yīng)力，不承受機身彎矩和扭矩，拉桿另一端的骨架和整流罩不會過早產(chǎn)生裂紋損傷和破壞；在強度計算和受力分析過程中簡化了主、次結(jié)構(gòu)件的受力模式和分析過程，見圖12。缺點是機身過載不能傳給支撐拉桿，這部分過載只能由機身來承擔，所以在與支撐接頭相連的位置要進行加強，導(dǎo)致機身增重。但這樣的設(shè)計反而會帶來支撐拉桿另一端整流罩及框架結(jié)構(gòu)的減重。

對于載荷較小的部分，斜拉桿是結(jié)構(gòu)效率轉(zhuǎn)高的形式；在有系統(tǒng)管路通過的部位，推薦使用帶減輕孔腹板形式[14]。

圖11 整流罩拉桿連接

圖12 整流罩拉桿簡化受力模型

5 結(jié) 論

以前的研究證實，具有更大伸展尺寸、更低質(zhì)量/展開體積比、更高展開形狀精度的設(shè)計，鉸接是主要發(fā)展方向[15]。本文認為，關(guān)系到飛機及乘客安全的較大承力部件，也是鉸接是主要發(fā)展方向。飛機結(jié)構(gòu)之間的連接方式對滿足結(jié)構(gòu)特性和載荷傳遞起著重要作用，鉸接作為連接方式的一種，可以有效減少承力構(gòu)件應(yīng)力集中，將帶有危害性的載荷進行轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，提高機體結(jié)構(gòu)疲勞壽命。雖然鉸接相對固接會造成主承受構(gòu)件局部增重，但減輕了次承力構(gòu)件的重量，降低了次承力構(gòu)件受力和提早產(chǎn)生裂紋的風險，可以滿足相關(guān)結(jié)構(gòu)的民用飛機安全性設(shè)計要求。

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(責任編輯：吳萍 英文審校：劉紅江)

Characteristicsofhingedjointsandtheirapplicationsinaircraftstructuredesign

ZHAO Li，YANG Xue-meng

(The Research & Development Center,AVIC SAC Commercial Aircraft Company LTD.,Shenyang 110013,China)

The paper focuses on the characteristics of hinged joints and their application in aircraft structure designs.The principle of hinged joints and the significance and methods of assuming ideal hinged joints are introduced.The typical hinged structures of the main landing gear,the floor beam in the middle of the fuselage,the wing-body fairing rod used in the design of mechanical simulation are simplified.The roles of hinged joints in the power transmission mode conversion to structures and the influences on structural stiffness design are analyzed.The results show that hinged joints can connect the structural elements flexibly and prevent the key structure from harmful load.The reasonable design of the structural joints in the aircraft structure should be considered in order to improve the efficiency of the structure.

hinged joint;aircraft structure;soft link;simplify model;stress

2014-02-15

趙莉(1979-)，女，遼寧沈陽人，工程師，主要研究方向:飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計，E-mail:zhao.li@sacc.com.cn。

2095-1248(2014)04-0070-05

V211

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.04.014