飛機機身下部設備支架研究設計

金 安＊ 蒿思哲

（1.中航西飛民用飛機有限責任公司，陜西 西安 710089；2.航空工業(yè)西安飛機設計研究所，陜西 西安 710089）

0 引言

飛機機身下部設備支架，是指布置在飛機客艙地板以下的支架結構，由設備支架及其固定結構組成，其功能是為飛機內部各種系統(tǒng)設備的固定提供一個安裝平臺，對設備起支撐的作用。飛機內部設備種類繁多，各設備的外形、尺寸和固定方式不同，為了滿足飛機在不同姿態(tài)下設備固定可靠、能夠發(fā)揮其正常功能，設計人員就需要對設備支架進行嚴格的設計，不僅要便于各類設備的安裝調試，還要保證支架結構在使用過程中具備足夠的強度和剛度。

設備支架在飛機結構中雖然是輔助結構，但是其承載著飛機正常飛行所需的各類設備，設備支架一旦損壞，將影響到飛機的飛行安全，可見設備支架的重要性。飛機設計初期，需從總體角度出發(fā)，全面考慮相關系統(tǒng)各專業(yè)的要求，選擇合適的結構形式，以滿足所有設備的安裝、使用。

1 布置原則

機身下部設備支架的布置由支架功能驅動，其布置取決于支架上面所連接的設備外形和尺寸，在具體布置時遵循飛機總體布置原則、設備的固定與安裝空間要求，除此之外還需與周圍結構協(xié)調安裝，避免干涉。

總體布置從飛機整個布局出發(fā)，規(guī)定了機身下部設備的安裝位置，在總體規(guī)定的區(qū)域內需按照系統(tǒng)設備的空間位置對應布置固定支架結構。設計時綜合考慮各設備的外形、尺寸和位置因素，通過對設備的固定寬度尺寸的整合，使盡可能多的設備固定在一組主設備支架結構上。與此同時，設備支架的布置還受所在區(qū)域空間限制，其上表面需處于同一水平高度。設備支架屬于輔助安裝結構，在飛機主結構打樣設計完成后開展此項工作，設備支架固定結構在與主結構連接時，注意與周圍結構互相協(xié)調，避免干涉。

2 設計要求

機身下部設備支架在設計時需滿足強度、剛度、穩(wěn)定性要求，使其能承受飛行中可能遇到的任何振動和慣性載荷，同時還需滿足選材要求、維修性要求、重量控制要求和制造工藝要求等。通過優(yōu)化和分析試驗，在滿足設備支架功能、強度、剛度和穩(wěn)定性要求的前提下，選取利于減重的最優(yōu)結構布局和結構尺寸，以減輕結構重量。

2.1 載荷要求

設備支架在使用載荷作用下，不應有殘余的永久變形；在設計載荷作用下，結構不發(fā)生破壞。設備支架在進行強度校核時，選取設備支架最大極慣性載荷進行分析，其最嚴重工況為向前9g工況，因此設備支架需能承受向前9g工況下的應力作用要求。

2.2 選材要求

材料選擇與自身安裝的飛機主結構相匹配的材料，結合零件的工藝性設計要求，綜合權衡材料的設計性能（如機械性能、物理性能和化學性能等）和工藝性能（如成形、切削、連接和熱處理等），采用制造工藝簡單成熟的高強度金屬材料，在滿足結構完整性要求下盡量選用材料價格、工藝成本、維修成本低廉的材料。

2.3 維護要求

設備支架在與主結構連接時，要注意安裝工序，確保安裝通路開敞，施工方便。設備支架為飛機電源系統(tǒng)、環(huán)境防護系統(tǒng)、氧氣系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、機電系統(tǒng)等重要設備提供固定平臺，在使用過程中需要定期對各系統(tǒng)進行檢查與維護，設備固定采用螺栓和托板螺母，便于安裝和拆卸，緊固件和拆裝工具盡可能標準化，以滿足維護性要求。

3 設計流程

飛機方案設計階段會形成初步的總體布置圖，規(guī)定了機身下部設備支架的位置和設備固定平臺尺寸，這些參數(shù)作為輸入條件，可以初步設計出設備支架的結構，通過與飛機主結構的打樣數(shù)模連接協(xié)調，設計出設備支架的固定結構。在完成設備支架及其固定結構的設計工作后，通過與關聯(lián)的各系統(tǒng)設備安裝底座機械接口協(xié)調，遵循設備支架的布置原則和設計要求，相互協(xié)調形成比較成熟的結構數(shù)模。

根據(jù)設備支架成熟的結構數(shù)模，以及設備位置的變動對飛機重心的影響，重新優(yōu)化總體布置方案，調整設備支架的布置。飛機總體布置調整完成后，再次作為機身設備支架的輸入條件和布置原則，重復前一輪設計過程繼續(xù)優(yōu)化，直到滿足各系統(tǒng)設備的固定要求。機身設備支架的設計流程如圖1所示。

圖1 機身下部設備支架設計流程圖

4 結構形式

機身下部設備支架按照其用途，結構形式應能滿足系統(tǒng)所有設備的固定、穩(wěn)定運行和維護通道的可達性，作為系統(tǒng)設備固定的安裝平臺，其自身基礎是穩(wěn)固的且便于設備固定。按照機身下部設備支架的協(xié)調關系和設計輸入，本文經(jīng)過研究各設計需求對結構設計的約束，綜合考慮各設備固定需求，按照設計思想形成以下幾種結構形式，可供機身下部設備支架結構的設計參考。

4.1 貫通式整體結構

當機身地板下部空間較大，特別是該區(qū)域橫向寬度較大時，可以采用設備支架前后貫通、設備支架固定結構左右貫通的結構形式。這種貫通式整體布置的結構形式如圖2所示。

圖2 貫通式整體布置的結構形式

貫通式整體結構形式簡潔、零件數(shù)量少，設備支架截面為“Z”字形，根據(jù)設備支架平臺寬度可以選擇“Z”字形成品擠壓型材機加，設備支架固定結構采用機加件或鈑金件，上表面與設備支架翻邊貼合連接，腹板面與機身隔框腹板貼合協(xié)調連接，通常情況下，在設備支架兩端采用機加件固定結構，中間采用鈑金件固定結構。

需要注意的是，當沿航向的兩設備支架之間跨度較大時，可根據(jù)承載需求在中間增加一個航向支架結構；當某一隔框之間連接設備重量較大時，可在局部增加一個航向支架結構，以增加設備支架的承載能力。

4.2 分散式集中結構

當機身地板下部空間狹小，特別是地板骨架采用立柱支撐的布局，地板下部空間受周圍結構圍合限制，可相對飛機對稱面對稱布置兩根航向的主設備支架，主設備支架的布置兼顧絕大多數(shù)設備固定的寬度要求，剩余的小型設備在一側借用主設備支架固定，另一側由分散設備支架平臺供其固定。當小尺寸設備較多時，可以考慮沿航向布置兩根較大跨度的短設備支架，在短設備支架上再布置橫向設備固定平臺，將眾多小型設備集中布置在一到兩個框間距之內。分散式集中布置的結構形式如圖3所示。

圖3 分散式集中布置的結構形式

分散式集中布置空間利用率高、設備整合度好，設備支架采用帽形截面板彎零件，設備支架固定結構采用鈑金件，在滿足與帽形截面兩側邊貼合后結構形式可自定，設備支架與設備支架固定結構在帽形兩側邊連接。設備支架及其固定結構均采用了成熟的鈑金工藝，制造質量可靠，同時設備支架分段式布置，尺寸短便于加工和裝配。

4.3 獨立式零散結構

除了以上兩種全局性、系統(tǒng)性綜合布置的結構形式外，其余形式均為獨立的按需零散布置方式，在總體布置時沒有一個完整的規(guī)劃布局。由于個別設備與其他設備距離較遠，此時需要針對該設備單獨設計專用支架。此類設備支架的結構形式以滿足獨立設備最低固定需求為目標進行設計，通常要求盡可能選用成品型材完成設計。

獨立式零散結構常用的成品型材有“L”型、“工”字形和“幾”字形，在加工時只需要對型材裁剪即可。這種形式的布置個體特征明顯，一般不通用，與前兩種形式相比，設備支架結構單位重量也有所增加。

5 結構分析

這三種結構形式的設計各有優(yōu)勢，通過對比結構性能和適用范圍，形成以下觀點：

（1）貫通式整體布置的結構形式簡潔、零件數(shù)量少、結構傳力清晰，設備支架固定結構橫向貫通設計將兩側設備支架連為一體，結構整體性能較好，適用于大、中型飛機設備支架結構設計，其設備布置靈活、位置調整方便，對設備的變動可設計性好，便于總體布置改動、工作量小。

（2）分散式集中布置的結構形式空間利用率高、設備整合度好、結構重量輕，采用帽形截面結構，設備支架獨立承載能力強，面內穩(wěn)定性好，特別適用于中、小型飛機設備支架結構設計，結構可設計度高，設備布置靈活、集成度高，當設備布置實現(xiàn)數(shù)字化與信息化設計后可大幅度減少工作量。

（3）獨立式零散結構個體特征明顯，設備支架一般不通用，設備針對性強，這種結構形式適用于零散設計，在飛機工程研制階段或者設計定型階段對個別設備的增加或者調整時采用，設計特點是對位置要求較低，且結構選擇成品較多、材料成本低。

6 結語

本文結合機身下部設備支架的布置原則和設計要求，給出了一套完整的設計流程。通過對機身下部設備支架的研究、設計，形成了三種結構形式，對這三種結構形式的設計特點進行對比分析，供飛機機身下部設備支架的設計參考。在選用時需按照特定飛機的要求靈活使用，不同結構形式的采用會產(chǎn)生各自獨有的結構效果。