民用飞机机身结构总体布置方法研究

民用飞机机身结构总体布置方法研究

邓勋

陕西西安西飞公司 710000

摘要：对于在飞机设计前期详细考虑结构，满足设计前期强度约束重量特性评估和方案评估的要求，研究了民用飞机机身结构快速设计、建模的方法。定义了飞机机身坐标系。提出了各种机身结构件的参数化描述和建模方法，建立了交互式机身结构设计环境，可自动获取结构的体积、重量、惯性矩等信息，为飞机总体设计阶段的重量、气动、结构多学科设计优化奠定了基础。

关键词：机身结构；民用飞机；总体设计；模型设计

一、引言

飞机总体设计是飞机研制中最重要的阶段。虽然这一阶段只占总研制工作量或成本的20% ~ 30%，但飞机设计方案的技术可行性占70% ~ 80%，因此提高飞机总体设计质量至关重要。飞机设计涉及航空科学技术的许多应用和权衡。飞机的总体设计是一个反复迭代、多轮逼近的过程，必然会影响飞机的设计效率。因此，在民用飞机设计的早期阶段，有必要考虑结构因素。在提高效率的同时，还能为重量估算和飞行性能分析提供相对准确的数据，做好后续的优化和详细的结构设计。

随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助设计技术在各个工程领域得到了广泛的应用，计算机辅助飞机概念设计系统也在飞机设计领域得到了广泛的研究和应用。然而，很少有系统包含结构设计的内容，难以满足设计初期快速结构设计的要求。这方面的相关研究很少，也有人研究过机翼结构的快速设计。该方法可以实现机翼结构的快速设计和建模。有人提出了飞机座舱结构快速设计和建模的方法。有人提出了利用结构件实例库进行机体结构快速建模的方法，涉及到一些机体结构快速建模的内容。在本文中，飞机形状是固定的，不涉及形状的修改。但形状在设计初期可能会反复修改，不能完全满足要求。此外，本文对机身框架的建模仅局限于环形钢架。结构优化的相关研究往往涉及到快速建模的问题。使用的方法大多是根据研究内容的需要对CAD软件进行二次开发，如利用VBScript对CATIA进行二次开发。以这种方式开发的参数化建模程序仅针对所研究的具体优化问题，难以在广泛的工程实践中使用。

二、机身结构总体参数化建模的研究

本文研究在这种环境下机身结构的快速设计，并遵循这种坐标系。坐标系Oxyz为系统设计空间的绝对坐标系，O' x' y'z '为机身坐标系，默认机头最前端点为坐标原点，机身中心轴为X轴。O''x''y''z''为机身部件坐标系，部件定位点为坐标原点，定位点在Oxyz坐标系中的绝对坐标表示部件的位置。O 'lwh为机身无量纲坐标系，其中l为机身纵向相对站参数，机身前端为0，机身后端为1；w和h是机身的横向相对位置参数，两者均以机身中心轴为0，w的右轮廓线为1，左轮廓线为－1，h的上轮廓线为1，下轮廓线为－1。

机身结构的设计受机身形状的约束，机身形状的参数化描述和建模方法直接影响机身结构的设计和建模。在Open CADS中，机身是分段建模的，前机身、中机身和后机身通过部件定位点连接，相邻部件的轮廓线相切，保证表面连接流畅。

三、机身结构总体参数化描述的研究

现代飞机的机身结构主要有三种：桁架式、桁架式和硬壳式。现代飞机机身结构多采用桁架式和桁架式。对于民用飞机来说，整个机身都有小开口，所以目前民用飞机机身基本采用桁架式结构。因此，本研究只讨论了民用飞机总体设计阶段采用的桁架机身结构的快速设计、建模和自动调整方法。由于是在设计初期使用，具体的结构设计信息还没有确定，本文的研究相应地简化了机身结构。

机身的主要结构部件包括机身蒙皮、框架、桁条和横梁。梁和桁条的参数化描述和建模方法相似，但截面的描述参数不同，梁的截面面积一般大于桁条，因此本文只描述桁条。

对于民用飞机来说，机身结构还包括客舱地板结构、货舱地板结构和行李架结构，其中行李架结构一般是作为一个整体进行设计和建模的。本研究通过导入模型将整个行李架模型添加到机身结构中，具体过程以长度为限，不再赘述。

结构件的参数化描述基于上述坐标系。各种结构件的参数描述如下：

1）蒙皮。蒙皮根据机身截面设计，描述参数包括蒙皮厚度和蒙皮材质。

2）框架。机身框架是沿机身纵向位置布置的横向构件，包括普通框架和加强框架，可分为环形钢架、腹板形框架和框形框架。其中，框形框架在现代飞机上已不再使用，因此本文只研究环形框架和腹板形框架的设计与建模。普通框架一般为环形钢架，加固框架一般为环形钢架或腹板形框架。当普通框架和加固框架都是环形框架时，两种类型的剖面信息中截面参数的默认值不同，加固框架的截面面积大于普通框架。此外，可以为加强框架设置不同于普通框架的材料。

机身框架排列时分组管理。单机身框架的描述参数包括：机身框架编号；机身上的纵向位置；简介信息；材料信息；是否为网页类型。单组机身框架的描述参数包括：组中机身框架的数量，组中机身框架的纵向起始位置和终止位置，以及包括组中所有机身框架的机身框架信息列表。

3）桁条。机身桁条位于机身蒙皮和机身框架之间，类似于机身框架，也是分组管理的。单根桁条的描述参数包括：机身桁条数；纵梁纵向起始位置；桁条纵向终止位置；横向位置，用角度来描述；起点和终点位置的断面高度；档案信息；材料信息。单个桁条组的描述参数包括：个桁条的数量、桁条组的纵向起点和终点位置以及桁条信息列表。

4）地板结构。客舱地板结构和货舱地板结构的参数化描述方法是一样的，这里统一一下。除了地板本身，地板结构还包括横梁和纵梁。地板的描述参数包括： 地板的纵向起始位置和终止位置；地板上表面的Z坐标；地板厚度；楼层结构高度；材料信息。纵梁分组管理，单根纵梁的描述参数编号为：横向相对位置；简介信息；材料信息。单组纵梁的描述参数包括：纵梁的数量和纵梁信息列表。波束也是分组管理的，单个波束的描述参数为：编号；纵向相对位置；简介信息；材料信息。单层梁的描述参数为：梁号和梁信息表。

四、结束语

本文提出了一种基于机身部件参数化描述和参数化建模的民用飞机机身结构总体设计阶段快速设计方法。借助OpenCADS系统，开发了民机机身结构快速设计建模环境，实现了民机机身结构的快速设计建模。实例验证了该方法的有效性。民机机身结构快速设计建模环境还可以实现机身结构体积、重量、重心、转动惯量等数据的自动获取，以及机身结构模型的自动调整和体积、重量等数据的自动更新，为后续方案分析和修改奠定基础。

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邓勋，男，汉族， 广东清远，1992年3.9，本科，工程师 ，陕西西安西飞公司（710000）， 研究方向：飞机装配