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基于CATIA的飞机机身结构设计
作者：霍雨佳
来源：《山东工业技术》2018年第08期
摘 要：本文以飞机机身结构为研究对象，进行机身结构设计。首先确定了机身的结构形式和结构布局，然后分析了各部件的受力特性和各部件间力的传递方式。通过各部件的受力特点和传力特点，完成了飞机的横向构件隔框和纵向构件长桁和梁的设计，并确定了构件的结构尺寸。最后利用CATIA三维模型软件完成了飞机机身零件的三维建模和各部件的装配。 关键词：机身；结构设计；CATIA DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.039
机身是飞机的重要部分，它主要安置空勤组人员、旅客，装载燃油、武器、设备和物品，并把机翼、尾翼、起落架及发动机连接在一起，形成一架完整的飞机。这些部件通过固定在机身上的接头，把作用在各部件上的载荷都传递到机身上，和机身上其他的载荷一起达到全机受力平衡，因此可以说机身是整架飞机的受力基础。现代飞机的机身结构是由纵向元件（沿机身纵轴方向）—长桁、梁和垂直于机身纵轴的横向元件—隔框以及蒙皮组成。 1 隔框设计
机身隔框是飞机横向骨架的主要构件，同时也是机身的维形件，用来维持和形成机身截面形状。本次一共设计了10段隔框。第一框的设计主要考虑发动机的推力对框的载荷。第二框在机舱位置，要考虑飞机挡风玻璃的形状大小和飞机舱门大形状大小和位置，还要考虑与操纵系统踏板的连接。第三框位于座舱位置，位于舱门正下方。第四框在机舱位置，四框前面为座舱后面为货仓，在座舱和货仓的连接处。第五框下部分与货仓地板后缘和底部的四根纵梁连接。第六框不受到集中力作用，其主要功用就是维持机身的截面形状，分散一部分长桁带来的剪流。第七框和第六框的设计基本相同，主要功能是维持机身截面形状，分散长桁由弯矩和扭矩产生的剪流，不受集中力作用。第八框位于平尾的位置，平尾前墙要在此处与框连接，除此之外该框还要维持机身的截面形状。第九框在平尾的位置，与平尾的后墙连接，并维持机身的截面形状。第十框是飞机机身的最后一个隔框，维持机身尾部的外形，同时机身的纵向长桁和垂尾后墙在此框连接。 2 梁的设计
飞机机身的梁是将飞机的各个隔框连接成一个整体，同时将力沿着机身的纵向将力传到飞机的框上。本次设计了3根梁，分别是上梁、中梁和下梁。飞机的上梁分为飞机机翼连接点间横梁和连接横梁的纵向梁。横梁设计成帽形梁，用于安放机翼和机身连接的接头，在帽形梁的
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底部做出和接头两耳片间宽度相同的凹槽用于机翼上耳片的通过。纵梁是连接横梁的纵向构件，设计成双缘条腹板结构，缘条传递横梁缘条的拉力，腹板来分散横梁腹板的剪流。 设计中梁的目的就是为了将发动机的推力传到后机身隔框，同时维持机身的截面形状。这根梁的位置在发动机上安装点的位置，将发动机传到框上的力通过这根梁传到第二框。考虑到梁和两个框的连接问题。将梁在两个框的连接位置各伸出一个耳片和两连接。在连接处耳片和梁的腹板干涉，将梁的腹板打下陷，采用铆接连接。
下梁维持机身底部的截面形状，将飞机纵梁设计成一个帽形梁，在飞机升降时，机身发生弯曲变形，这时靠梁来承受飞机弯曲时产生的轴力，并将其传到框上。 3 长桁的设计
机身的纵向长桁设计成Z形长桁，长桁的缘条传递机身弯曲产生的轴力，腹板传递剪流。第五框和第六框之间有四根长桁，飞机底部和顶部分别有两根，并且关于xy平面对称。顶部左边长桁腹板所在平面和xy平面夹角为12°，上、下缘条的宽度为20mm，腹板宽度20mm，厚度1mm。 4 蒙皮的设计
蒙皮的设计主要是蒙皮的分块和蒙皮的连接问题。本次的飞机机身结构选用半硬壳式机身，蒙皮形成机身的气动外形，蒙皮不同程度的受轴向外力和全部的剪力和扭矩。蒙皮的分块会影响飞机的气动性能，但蒙皮的分割又是不可避免的，所以就要尽量的减少蒙皮的分割。根据飞机的整体布局来看，一框和二框除飞机挡风玻璃外没有大开口，二框和四框之间为舱门的位置，所以一框和二框的基准将蒙皮分割。二框和四框间蒙皮用之前的平面分割为上下两部分。四框和五框间的蒙皮有货仓玻璃的开口，因此用此位置长桁腹板上15mm处的平面将蒙皮分为上下两部分。飞机顶部的按照飞机中央翼的外形设置一整块蒙皮。五框六框件蒙皮没有开口，因此按照前段蒙皮相同的分割面将蒙皮分为上下两部分。六框到十框的蒙皮按照相同的分割面分割，上部分为整块蒙皮，下部分用飞机对称面分割为左右两部分。蒙皮的连接采用对接，在框、梁和长桁的缘条上采用铆接连接。 5 小结
通过分析机身结构的承力系统、结构布局和传力路线，并基于 CATIA 设计了飞机机身结构，对飞机结构设计有着重要意义。 参考文献：
[1]李学志.CATIA V5实用教程[J].清华大学出版社，2004. [2]李为吉.现代飞机总体综合设计[J].西北工业大学出版社，2001.
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[3]王志谨.飞机结构设计[J].国防工业出版社，2002.
作者简介：霍雨佳（1994-），男，山西朔州人，硕士，研究方向：飞机设计与制造。