摘要：对于通用飞机来说，需要对大开口区进行合理设计，保证机身强度，大型通用飞机会拥有货舱门，这类结构会使机身的承力能力大幅降低，所以需要被合理设计。基于对机身弯曲特性与扭转特性的研究，本文指出了大开口区结构设计的整体思路，并在此基础上提出该区域的结构设计方案，降低大开口区域对飞机结构强度的影响。
关键词：通用飞机；机身大开口；结构设计
引言：通用飞机开口按照开口尺寸分类可分为大开口、中开口和小开口，其中大开口对机身强度影响巨大，为保证机身强度，需要对大开口进行合理设计。从当前披露出来的资料来看，该项技术有较高的保密等级，所以无法按照现有框架进行设计，需要按照工程力学的知识进行构建。另外为了降低大开口区对结构强度的影响，在设计完成后需要对该区域进行优化，保证系统强度。
1 通用飞机机身大开口区的整体设计要求
通用飞机机身大开口区域设计的核心要求为，该区域的强度要能够满足系统的强度要求，所以除了需要对大开口区域进行整体设计，设计内容还包括各类构件，但是通常情况下，活动构件对机身强度的影响较小，所以在设计过程中，研究内容为开口处的强度。由于大开口区对飞机强度的影响为，使机身的传力结构中断，致使机身强度下降，所以在设计过程中，核心思想为保证机身系统传力的连续性，要使大开口区域刚度连续，使载荷能够连续传递，在设计过程中，可以引入刚度比概念，即开口后的机身强度与未开口时的机身强度比值，当两者比值小于1时，说明开口区域的结构强度不能满足要求，需要进行重新设计或对系统进行优化[1]。
2 通用飞机机身大开口区结构设计
2.1 计算模型构建
对于机身强度上的大开口结构来说，会在机身上占据大量空间，考虑到通用飞机大开口结构的实际位置，在模型构建时，可以在一个中空圆柱体上构建大开口，以模拟机身上的大开口结构。该圆柱体视为机身大开口区域的机身，中空圆柱体厚度视为机身蒙皮厚度。在通用飞机大开口区域结构设计中，会应用梁结构提升结构强度，在模型构建中，可将这些结构放入蒙皮结构中，简化模型构建过程和计算过程，模型示意图如下：
图1 机身结构大开口结构立体模型
图2 经简化后的机身结构横截面大开口模型
在该模型中，R代表大开口区域的机身横截面半径，α为积分角，φ为大开口边界和机身水平方向间的夹角，ψ为大开口角度的1/2，而δx为经过简化后的机身蒙皮厚度，在后续的计算中，需要按照相关公式进行计算。
2.2 提高刚度的措施
在通用飞机大开口部分的设计中，可以视作对飞机机身强度的一种改变，其中最直观的变化为机身的刚度比。在具体的设计中，为了保证机身强度能够满足相关要求，一个重要检测内容为刚度比。而在飞机的飞行过程中，受气流等因素的影响，在刚度比研究过程中，需要考虑飞机的y轴抗弯刚度比和z轴抗弯刚度比，为飞机机身大开口部分的设计中，会对该区域进行加固，一个重要措施为材料选择，在当前的国际航空工业已经制定了一整套的材料选择制度，会从材料密度、材料强度、材料等多个方面进行考虑，由于通用飞机对材料的强度要求相对较低，所以当前主要应用的材料为铝合金。但是对于大开口区域来说，已经对材料原有的力学性能造成了一定破坏，所以需要对开口区域进行额外加固。常用的设计思路包括以下方面：（1）蒙皮厚度方面。在航空工业中，提升机身强度的最直接做法为提升相关区域的蒙皮厚度，对于通用飞机大开口区域也是如此，在具体的设计中，要对开口区域的蒙皮厚度进行提高。需要注意的是，在该过程中需要考虑增厚的蒙皮对飞机整体重量分配的影响，提高重量分布的平衡性。（2）设置加强短梁。该区域的短梁需要建设在蒙皮内表面，梁体通常应用工字型结构，同时梁体将会应用其余的梁进行连接，对开口区域受到的力进行分散。（3）切口形状方面。需要保证开口形状较为圆滑，不可在该区域中出现尖角，在当前的航空工业中，已经对各类圆角的承力情况以及对力的分散情况进行了研究，在具体的设计中，可应用有限元分析软件，结合飞机的具体参数对开口区域的圆角参数进行设计。（4）其余辅助设施。在通用飞机的大开口区域，通常会设置舱门，为了提高该部分的结构强度，需要保证各类连接件与蒙皮中的短梁进行连接，防止在运行中对整个结构造成破坏。
2.2.3 扭曲刚度比
在机身的大开口结构中，机身会产生扭曲刚度，要保证机身的扭曲刚度能够满足稳定运行要求，需要对该区域结构的扭曲刚度比进行计算，在计算过程中需要计算扇形惯性矩[2]。在计算过程中，应用参数为大开口角度，通过对扭曲刚度比相关方程的研究和计算可以得出以下结论：
3 通用飞机机身大开口区结构优化
在当前的通用飞机设计过程中，会在大开口区域结构设计完成后对该区域进行结构优化，在保证结构强度能够满足设计要求的基础上，进一步提升系统的运行稳定性，并对结构强度进行补足，所以在优化过程中主要工作内容包括以下两个方面：
3.1 通用飞机机身大开口区域结构参数研究
对于机身的大开口区域来说，在结构的生产过程中会切断梁结构和蒙皮结构，从而对结构强度造成很大影响，为了提升该区域结构的强度，需要将一些载荷转移到机身中的主体桁梁上。同时为了保证开口区域的结构强度，对该区域需要设置加强边框，防止飞机飞行过程中大开口区域可能产生的变形，另外由于机身要有很高的抗扭转性，所以在大开口区域的设计过程中，需要在该区域的两侧壁板上需要进行结构加强。所以需要研究的参数包括加强框的整体强度、两侧壁板加强结构的强度以及是否需要添加T型尾翼等方面。
3.2 通用飞机机身大开口区域结构优化设计
在具体的结构优化中，借助相关软件对结构进行实际建模，优化对象为壁板厚度与桁条截面积，同时在结构设计优化中，结构尺寸的标准为对于应力较为集中并且较大的区域，要保证尺寸上下限较大，反之要求尺寸上下限较小。另外在结构优化的过程中，要按照飞机机身中桁条的实际布置情况在相关软件中布置桁条，通过施加参数的方式模拟各类结构的运行和使用情况，保证大开口区域的结构强度能够满足机身的强度要求。另外对于加强框等结构，为了降低这类结构对飞机配重方面的影响，需要对加强框的结构和尺寸进行优化，通过降低加强框质量的方式在保证加强框结构强度的同时，降低这类辅助结构的重量[3]。
结论：综上所述，在飞机大开口区域的结构设计中，设计对象为大开口角度以及通过计算得到的加强桁梁面积、蒙皮厚度和机身半径间的比值关系。然而通常情况下，出于载运和装配速率方面的考虑，大开口结构角度已被确定，需要根据该角度确定其余结构的参数，充分保证机身结构强度。另外在设计完成后，需要对结构进行优化，在保证强度的同时降低结构重量。
参考文献：
[1]杜鹏良，谭申刚，李明强.机身大开口刚度补强设计及优化[J].航空科学技术，2016，27（04）：16-20.
[2]王玉，薛应举，谷迎松.大型运输机机身大开口结构强度设计方法[J].机械科学与技术，2015，34（07）：1144-1148.
[3]苏雁飞，谭申刚，薛应举，惠红军.运输类飞机机身大开口结构加强方式理论研究[J].力学与实践，2013，35（06）：59-64.
论文作者:王影
论文发表刊物:《基层建设》2018年第32期
论文发表时间:2018/12/25
标签：机身论文; 结构论文; 强度论文; 区域论文; 飞机论文; 刚度论文; 蒙皮论文; 《基层建设》2018年第32期论文;