机身与垂尾连接加强框结构优化设计

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　　摘要：机身与垂尾连接加强框是飞机结构设计的关键部位，合理的设计可提高结构效率、减轻结构重量。本文从受载情况、结构分析、强度分析、尺寸优化几个方面介绍了机身与垂尾连接加强框的结构优化设计思路，具有一定的工程设计实用效益。
　　关键词：机身与垂尾；加强框；结构；优化
　　1.结构形式设计
　　飞机机身与垂尾连接加强框，主要用来承受由垂尾前、中、后梁传递的集中载荷。机身与垂尾连接加强框顶部载荷最大，左右两侧载荷最小，底部载荷又变大，故将其设计为上部框和下部框两部分，都采用整体机加结构。考虑到框顶部要与垂尾连接，长桁在此处必须断开，故将环向载荷最小的长桁处做为分界，该长桁以上部分的框设计为全框形式；该长桁以下、舭桁以上部分的框设计为浮框形式，浮框外缘条上开有长桁通过孔，长桁在此处不分段；船底（舭桁以下）部分的框设计为浮框形式，框外缘条浮于长桁内缘条上并通过锯齿带板与蒙皮连接，长桁在此处不分段，船底框采用单面机加框。上部框和下部框通过连接件连接。
　　2.尺寸参数设计
　　机身与垂尾连接加强框的基本结构确定后，需根据外载荷确定各部分的尺寸参数。框由腹板、内缘条、外缘条、立筋四部分组成。设计各部分尺寸时，需将其结构简化，内缘条和外缘条简化成杆元、腹板简化成壳元，立筋将腹板分为很多个单元格，以一个单元格作为一个计算单元，运用有限元方法进行计算。
　　腹板主要承受剪切载荷，首先根据腹板剪切稳定性计算公式初步调整蒙皮厚度参数，腹板的剪切安全裕度计算公式如下：
　　其中，τcr为腹板受剪切的临界失稳应力；τ0为严重工况下，腹板在限制载荷作用下的工作应力。
　　由于框腹板承剪的同时也受压，故还需校核腹板的压剪联合安全裕度。将腹板的压剪载荷分解为框平面内沿腹板高度方向的Y向载荷，以及框平面内与腹板高度方向垂直的X向载荷。
　　X向压剪联合安全裕度：
　　式中： ； ；σx为X向最大压应力；σx，cr为X向受压屈曲临界应力；τxy为最大剪应力；τs，cr为腹板受剪的屈曲临界应力。
　　Y向压剪联合安全裕度：
　　式中： ；σy为Y向最大压应力；σy，cr为Y向受压屈曲临界应力。
　　框内缘条主要承受拉压载荷，首先要保证材料压缩不发生屈服，再根据局部稳定性和侧向稳定性来调整内缘条的厚度和宽度参数，当内缘条局部失稳临界应力和侧向失稳临界应力大致相等时，才使得内缘条的结构最优、效率最高。这里需要注意的是，在计算内缘条侧向稳定性时，如果框的腹板高度较高时，立筋不足以给内缘条提供侧向支持时，要考虑将单元格放大，将接头或者斜撑杆处做为单元分割部位。前面计算得到的內缘条参数需进一步校核使其满足拉伸屈服安全要求。
　　全框部分的框外缘条主要承受压缩载荷，此处要考虑外缘条与蒙皮的连接，要保证在压缩载荷下，蒙皮和外缘条都不发生压缩屈服，蒙皮和外缘条不发生钉间失稳。
　　浮框部分的框外缘条与内缘条计算方法相同，受压时需考虑材料不发生压缩屈服，并且符合局部稳定性和侧向稳定性要求；受拉时需考虑满足静强度的要求。
　　框立筋的主要作用为划分单元格，主要承受拉压载荷，也是综合要考虑受压时的压缩屈服强度、局部稳定性和侧向稳定性以及受拉时的屈服强度来最终确定立筋的尺寸参数。
　　框内缘条、外缘条以及立筋的强度计算公式在此不再一一赘述，详细可参考牛春匀所著的实用飞机结构应力分析及尺寸设计一书。
　　结论
　　通过本文所介绍设计思路设计出的机身与垂尾连接加强框结构可以提高结构效率，减轻结构重量，实现结构优化的目的。
　　参考文献
　　[1]牛春匀（美）著. 冯振宇，程小全，张纪奎译.实用飞机结构应力分析及尺寸设计[M].北京：航空工业出版社，2009.
　　[2]牛春匀（美）著. 程小全译.实用飞机结构工程设计[M].北京：航空工业出版社，2008.
　　（作者单位：中航通飞研究院有限公司）
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