大飞机中央翼盒设计方案分析

（沈阳飞机工业（集团）有限公司 辽宁沈阳 110850）

摘要：中央翼盒与外翼及机身相连，承受和传递重要的飞机载荷，是中机身客舱地板的支持构件，飞机结构材料的选用决定着不同的设计方案。下面就以采用不同材料的方案一和方案二飞机的翼盒设计对比，来展示不同的飞机设计方案。

关键词：中央翼盒；损伤容限；破损-安全；自动铺带（ATL）

中央翼盒由上下壁板、前后梁和中g肋组成，是机翼的主要承载结构，也是飞机油箱。其设计要满足静强度、破损安全、疲劳、损伤容限、整体油箱等细节设计要求。设计方案的拟定，还要综合考虑材料选用、加工工艺、装配和维修等技术。按上述设计要求，从翼盒布局及零件结构设计方面对选用不同材料的方案一飞机和方案二飞机分别进行论证，详解不同的民用飞机设计理念。

1 材料选用

方案一飞机中央翼盒为全金属结构。

方案二飞机中央翼盒为金属、复合材料混合结构，复合材料用量占中央翼盒重量的41.58%。

复合材料相较金属材料，有较好的比刚度、比强度，耐疲劳、耐腐蚀性能。

2 上、下壁板

方案一飞机壁板，考虑破损-安全特性，金属制造的上壁板分成2块，采用7000系材料；下壁板选用2000系板材和型材，由前、中、后3块壁板组成，包括2个连接前、后壁板的接头。

方案二飞机壁板上、下蒙皮和T型截面长桁采用碳纤维复合材料，分别由自动铺带工艺（ATL）制造，然后共固化成型。

复合材料抗腐蚀和裂纹扩展性能好，有良好的损伤容限特性，比金属结构维护费每年减少30%，重量减轻30%-40%。

3 前、后梁

方案一飞机翼盒前梁采用组合式腹板梁，由梁缘条、腹板和立柱及对接接头和对接带板组成。后梁采用整体梁。其核心部分由锻件机加而成，沿翼梁展向腹板上设置止裂筋条，以提高抗裂纹的许用应力。

方案二飞机前、后梁均采用碳纤维预浸料自动铺带机制造，加筋一体共固化成型。前、后梁均由腹板、内表面共固化的2根水平加筋、外部机械连接的4根垂直加筋组成。

翼梁采用金属结构，零件数量多，增加结构重量，材料利用率低，且损伤容限低，增加了制造和维护成本。

复合材料零件一体成型，结构型式简单，有良好的损伤容限特性。

4 中间肋

方案一飞机翼盒上、下壁板内侧由铝合金构架肋连接，以加强中央翼盒。铝合金构架支柱，一端可调节长度便于安装。

方案二飞机因壁板及翼梁为复合材料加筋共固化制造，整体承受外翼载荷的能力较强，可采用顺航向对称布置的单面机加的腹板肋，这样的整体设计减轻了翼盒总重。

构架肋通过支杆的方式支持翼盒结构，结构型式简单，制造成本低，内部开敞性好，重量轻并在装配和维护时十分方便。

腹板肋制造成本高，开敞性差，但其增强了翼盒整体结构抗弯、扭的能力，减轻了蒙皮、翼梁的承载。

对于构架肋方案来说，由于支杆与接头之间通过插耳销轴连接，这种连接方式有一定的“灵活性”，积累的电荷容易在结构间隙中尖端放电产生火花，造成油箱起火，设计不能从根本上解决问题，就需要经常进入到翼盒内部进行检查，需要拆卸整流罩等其他部件，增加了维护成本。因此按最新适航条例油箱安全要求，内部肋采用腹板肋更合适。

5 检修口布置

方案一飞机在整体机加的后梁腹板上布置2个检修口，在开口区域用筋台加强。

方案二飞机选择在复合材料下壁板作维修通道开口。因翼盒为密闭结构，且其内部为腹板肋，为保证维修人员进出或发生意外时救援方便，检修口布置为四个，且有利于维修时翼盒内部通风。

翼梁主要承受弯曲载荷，若在复合材料梁腹板上作大的开口，在剪应力作用下，将严重降低腹板屈曲稳定性。下壁板主要承受拉伸载荷，符合复合材料受力特性，且方便人员进出及操作，所以方案二飞机选择在下壁板作维修通道开口。

6 翼身连接

方案一飞机外翼上、下壁板分别搭接在钛合金的十字接头和T型接头上，同时在下壁板对接处用钛合金带板连接，压力接头连接上壁板长桁和根肋腹板。十字接头上部连接机身侧壁板。

方案二飞机由于采用碳纤维T型长桁共固化的壁板，翼盒、外翼上壁板长桁在根肋处分别由两片长桁接头直接夹持连接在肋腹板上。同时在翼盒上壁板外表面有5根短梁与机身侧壁板加强框相连，相应的在根肋内侧有5根支持框。

方案一飞机通过根肋、十字接头及翼盒上壁板与机身侧壁板的柔性连接传递机翼蒙皮剪力到机身。机翼传来的弯矩大部分进入中央翼区而自身平衡。机翼传来的扭矩一部分分解成剪力，另一部分以剪流形式在机翼根肋通过“T”型材传入机身，与机身的弯矩相平衡。

方案二飞机由于上壁板是复合材料制造，机翼蒙皮传来的剪切载荷主要通过连于中央翼上表面的5个带短梁的加强框，及机身、机翼的连接型材传入机身。中央翼上壁板的5根与框相连的短梁、5个根肋支持框，既有较强的自身结构又坚固的支持上壁板，增加上壁板的稳定性。此区域结构5根短梁载荷多路传入机身，又能获得关键件较高的疲劳和破损安全寿命。

7 结束语

通过上述对比分析，飞机翼盒应用复合材料设计、制造，采用共固化等技术，可大量减少零件、紧固件数量，从而实现飞机结构减重，降低装配成本，增加飞行可靠性。

复合材料结构的采用是改进飞机结构、降低油耗的重要途径。复合材料会逐步取代铝合金材料成为收音机设计的主要材料。

参考文献：

[1]飞机设计手册总编委会. 飞机设计手册：结构设计. 航空工业出版社，2000.10

[2]张佐光，李敏，陈绍杰. 飞机结构用先进复合材料的应用与发展.复合材料―基础、创新、高效：第十四届全国复合材料学术会议论文集（上）.2006