機身結構的案例
塞斯納172/175機身結構剖析
塞斯納172機身結構.pdf
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M16直升機機身和起落架結構設計和分析
M16直升機機身和起落架結構設計和分析
abaqus有限元建模小例子
2.2機身結構組成形式及受力承力分析：
桁梁式機身，中段機身結構主要由長桁、蒙皮、隔框、地板組成，長桁穿過隔框直通結構段，長桁承受機身整體彎曲的軸力，蒙皮主要承受剪力及扭矩還有小部分的軸力，隔框主要起約束及限制位移及變形的作用，機翼升力通過與加強框相連的結構連接件傳遞至機身，加強框還要承受各部件傳來的集中載荷。機身中段為近似圓柱體，主要承受氣密載荷、結構重力、裝載作用力的作用。
2.3機身結構幾何模型及尺寸比例假設
長20米 半徑4米 按10:1建模
2.4機身結構的有限元模型
將機身結構中段離散化為有限元分析模型，要求如實反映結構的幾何形狀、構造形式、材料特性、傳力路線、承載方式和邊界約束條件等基本要素。
機身中段結構基本可以近似為圓柱框體，側面開圓形舷窗。
氣密載荷作用下的蒙皮受剪力及彎曲應力，結構長桁及梁受拉伸及彎曲作用力，這里將蒙皮、隔框及腹板、地板簡化為殼單元，將長桁、框緣簡化為空間梁單元。
1幾何模型：
2載荷及邊界條件：
氣密載荷：內側0.101 外側0.091 簡化為施加在蒙皮殼單元上的分布壓強。
結構重力： 2.5*10^-5 施加在整個中段結構上的體作用力。
裝載作用力： 0.05MPa 施加在地板上表面的均布載荷。
邊界條件：
這里忽略機身中段受前后機身結構的作用，由于在飛行狀態，機身中段受由機翼傳來的氣動升力作用，與結構重力及裝載重力平衡（氣密載荷為自平衡載荷）。在這里將約束施加在機翼機身連接件處，這里簡化為對框緣兩側部分區域的約束，截面區域上所有點施加六個獨立約束。
3有限元模型：
2.4有限元分析結果
總體應力及變形分布圖：
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看空客如何探索用3D打印來加強飛機機身結構部件
而在設計過程中，根據預定應力載荷進行應力計算之后，可以使用拓撲優化或類似方法來優化結構部件。因此，對于給定的一組設計要求，可以找到最佳部件設計布局，然后通過3D打印的工藝來制造完成。
3D科學谷Review
根據中國航空報，2018年空客旗下Stelia航宇公司的工程人員通過電弧增材制造（WAAM）技術創造出了世界首個自加強機身壁板，他們以增材制造集成加筋結構以提供結構加強。工程人員使用的是絲束電弧增材制造，將加筋鋁絲沉積到壁板的內表面。之前，機身內部網狀的加筋結構均是通過手工緊固或者焊接上去的。
由于該項目的成功，STELIA對電弧增材制造（WAAM）將最終取代飛機機身面板的傳統生產方式，消除對某些進一步固定和焊接的需求表示樂觀。
相比于使用螺栓和螺釘將加強結構固定到機身面板上，通過拓撲優化，STELIA R＆T的設計師和工程師創造了一個機身骨架，將加強結構直接3D打印到面板表面，不僅避免需要更多零部件，3D打印面板加強筋不易受到銜接薄弱處的影響，從而創造出更穩定的飛機機身。
憑借其專有的電子束增材制造（EBAM）技術，Sciaky也一直在研究3D打印大型飛機零件的能力。Sciaky的電子束熔融增材制造（EBAM）技術主要是由金屬絲作為打印材料，并使用一種功率強大的電子束在真空環境中通過高達1000℃的高溫來融化打印金屬零部件。這種電子束槍的金屬沉積速率從一小時幾磅金屬材料，到一小時20磅不等。電子束定向能量沉積、逐層增加的方法創建出來的任何金屬部件都近乎純凈，并且不需要任何類型的打印后熱應用處理。該技術也可以用于修復受損的部件或者增加模塊化部件，并且不會產生傳統焊接或金屬連接技術中常見的接縫或者其它弱點。
展開 飛機發動機引起的機艙噪聲的高分辨率振動聲學測量與分析
飛機發動機，特別是當直接安裝在機身上時，會向機身注入大量的音調振動，從而降低機艙噪音的可聽性和舒適性。減少這種噪音需要開發專門的降噪系統。這是一項耗時且昂貴的工作。為了加速和簡化這一過程，需要對飛機結構和發動機注入的力進行足夠詳細的數值模擬。德宇航（DLR） ISTAR飛機（達索獵鷹2000 LX），正用于廣泛的振動測量活動。這項活動的目標有兩個：獲取飛機振動- 聲學行為的空間密集信息，以便稍后在中頻范圍內更新有限元模型進行計算，并分析運行發動機注入機身結構的振動。測量結果包括ISTAR飛機在約1300個位置對激振器激勵和發動機振動作出的響應，這些位置由傳感器的劃行網格獲取。結果以使用結構強度分析計算的工作變形分析（ODS）和能量傳遞路徑的形式呈現。
要了解在可聽頻率范圍內由不同的（有時是音調的）振動源引入機身的振動傳遞路徑是一項復雜的任務。飛機的機身采用網格狀結構建造，縱向縱梁和周向框架將蒙皮層保持在適當的位置。這為振動能量傳播的可能路徑創建了一個網格。
為了更好地了解這個問題并測試可能的解決方案，德國航空航天中心（DLR）與達索航空合作，于2022年3月對一架研究飛機進行了大規模的振動聲學測量活動。該飛機是由DLR擁有的達索獵鷹2000LX，稱為ISTAR，是In-Flight Systems & Technology Airborne Research的首字母縮寫。ISTAR配備兩個后置發動機。識別源自這些發動機的振動傳遞到客艙是本項目的目標之一。為了在使用實驗結構強度（STI）估計進行振動傳遞路徑分析時獲得良好的結果，高密度的傳感器網格是必要的。
展開 托里斯之翼-顛覆傳統飛機制造技術的革命性理念
步驟9：上圖顯示的是，各筒體結構（包括機頭和機尾）被嵌入一臺更大的工裝，接受位置校準和上膠作業，并壓實形成完整的機身結構件。
用“環”替代“梁”
在工藝的第三個階段，搬運機器人將機身結構運至下一個作業平臺，并將其首尾固定住。然后，MTorres鋪絲機開始在結構表面鋪設碳絲，并最終形成飛機的外蒙皮。第一層碳絲按碳環表面凹槽的形狀鋪設完畢之后，在凹槽內加入一種填料。這種填料可能是泡沫芯材，作為絕緣材料加以利用；也可以是一種可溶解的材料，能夠在外蒙皮完成固化后取出。
步驟10：機身整體完成膠接之后被送入下一個作業平臺，并將其首尾固定，由自動鋪絲機在其外表面鋪放外蒙皮。上圖顯示的是，機器人正將填料填充在碳環的凹槽處。當外蒙皮覆蓋住這些凹槽時，形成的外部縱梁可以用來加固整個機身結構。上述填料可以留在凹槽里面，也可以在外蒙幣固化完成之后取出。
“碳環外表面的這些凹槽，實際上扮演了傳統飛機上”梁“的角色。在傳統的生產方式中，飛機的縱梁和環形結構需要分別生產，再由人工安裝在蒙皮之內；而現在，我們用帶有凹槽的碳環加以替代，這是對傳統生產方式的一次突破。”Gotarredona補充說，根據MTorres估測，在現有的復合材料飛機上，縱梁的生產所需的材料僅占材料總用量的30%，但卻承擔了70%的成本。
步驟11：上圖是生產樣機時，鋪設外蒙皮的實景圖。實際生產過程中還會加入黃銅用于避雷。經過覆膜、送入真空袋、灌注樹脂、加熱固化之后，機器人對在機身表面切割出門窗。
當外蒙皮纏繞完成之后，機身表面被覆蓋上一層厚度約4mm的5層膜結構，而后被包入真空袋、灌入樹脂然后送入烘箱固化。固化完成之后，機器人在機身表面切割出門窗，送入最后一個工作平臺，人工安裝必要的電子航空設備和座椅（步驟12）。
展開 機身損壞座艙不變形
直-10的主起落架采用跪式結構，由可轉動搖臂和重型減震器組成，可承受硬著陸的沖擊。在墜機時該主起落架支柱可以受控方式塌陷在前機身兩側，一方面可以避免主起落架支柱刺入座艙導致乘員受傷，另一方面還能進一步吸收撞擊能量。除了主起落架之外，直-10的搖臂式尾輪也采用重型吸能設計，其緩沖行程相當驚人，能在粗暴降落中首先觸地吸收沖擊能量，穩定機身。
根據抗墜毀設計原則，直-10的前機身下方可能會有蜂窩狀填料，以便在墜機中以潰縮吸能的方式吸收大量撞擊能量。直-10并沒有像“阿帕奇”那樣把機炮炮塔置于前機身座艙下方，而是布置在了機鼻光電轉塔之后，這樣在墜機中炮塔結構會隨整個機鼻脫落，避免刺入前座艙，在2014年3月的直-10渭南墜機事故中就能看到這一設計特點。
從渭南墜機現場照片可以看到直-10的前機身結構具有足夠剛性，在發動機和減速器艙雙雙下陷壓塌中部機身的情況下仍然保持前后座艙的結構完整性，甚至左右艙門都能自如開啟。這就充分保障了乘員在墜機中的生存空間。
直-10前后座艙內置有新型裝甲抗墜毀座椅，這種座椅自帶吸能結構，遭受墜機沖擊時整張座椅會沿導軌向下壓潰，通過結構變形來吸吸收能量，避免把垂直沖擊傳遞到乘員的脊柱，同時抗墜毀座椅在吸能的同時還能通過多點式安全帶把乘員牢牢固定在座椅上。
直-10的油箱和燃油系統也同樣能滿足嚴格的抗墜毀標準。直升機抗墜毀油箱一般都是軟式設計，在可承受的墜機環境中只產生變形而不會被撕裂泄露，有的軍用直升機還會在軟油箱外部安裝防護框，后者在墜機中通過塑性變形的方式吸收大量能量，起到保護油箱的作用。軟油箱上的接頭都足夠堅固，能避免在墜機中脫落。
展開 軍用戰斗機中碳纖維復合材料的應用及材料選擇標準（一）：應力標準
因此，所有由碳纖維復合材料制成的飛機部件（例如機翼、機身、翅片）均已初步受力，上述性能對復合材料結構總重量的貢獻如下：拉伸模量=7%、壓縮模量=40%、開孔抗拉強度=15%、填充孔抗壓強度=22%、承載強度=11%、沖擊后壓縮強度=5%。
本文來自：碳纖維及其復合材料技術
鋁合金在民用飛機關鍵構件上的應用：幫你定位自己的研究方向
圖2 民用飛機機翼
在波音777的設計過程中，要求制造商改進上翼結構。上翼結構需要較高的壓縮屈服強度，同時提高耐腐蝕性也是必要的。就機身而言，需要比現有的2024-T3更高的損傷容限和耐久性。考慮到設計師的需要，鋁制造商開發了7055-T7751板和7055-T77511擠壓件，用于上翼結構，以及包鋁2524-T3板和2524-T351板用于機身蒙皮。他們還為機身結構的支撐構件開發了7150-T7751擠壓件。這些材料的應用為波音777節省了數千磅的重量。
圖3 波音777客機
飛機制造商也在努力減少新飛機的零部件數量。這些需要可以通過應用幾種方法來滿足。第一種方法是生產具有與薄板相當疲勞和斷裂特性的大厚板。第二種方法是改進連接技術，例如摩擦攪拌焊接，允許制造可用于機翼和機身蒙皮的大型整體加筋板。
目前，7000系列鋁-鋅合金用于主要極限設計參數為強度的場合；2000系列鋁-銅合金用于需要疲勞性能的情況，因為這些合金具有更大的損傷容限，而鋁-鋰合金則用于需要高剛度和低密度的場合。
鋁-銅（2000系列）合金是用于機身結構的主要鋁合金，其主要設計標準是損傷容限。與其它系列鋁合金相比，含鎂2000系列鋁銅合金由于Al2Cu和Al2CuMg相的析出而具有更高的強度、更高的損傷容限和良好的抗疲勞裂紋擴展能力。2024和2014是鋁-銅-鎂合金的重要代表。眾所周知，由于不同的加載條件，機身的每個部件都需要不同的材料特性，以實現最佳和可靠的設計。
圖4 2024鋁合金微觀組織
機身受到機艙壓力（張力）和剪切載荷的影響，縱向縱梁由于彎曲而受到縱向張力和壓縮載荷的影響，周向框架必須保持機身形狀并將載荷重新分配到蒙皮中。
展開 節省材料的壓力機螺栓拔長裝置
機身是壓力機的一個基本部件，所有零部件都裝在機身上面，這對機身的剛度和穩定性有了較高的要求。其中閉式機械壓力機機身主要有整體機身和分體組合機身兩種結構形式。目前國內外中大型機械壓力機都采用分體組合式。這種結構便于加工和運輸。本文主要介紹組合機身中的重要工裝構件——螺栓液壓拔長裝置。
機身結構形式
圖1所示為機身的結構形式。機身由橫梁1、立柱2、底座3組成，拉緊螺栓5貫穿于橫梁1、立柱2、底座3，上下結構用螺母4、液壓螺母6或拔長器鎖緊。螺栓5通過拉長，加熱等方式使拉緊達到1.5倍公稱噸位的預緊力，將橫梁1、立柱2、底座3組合成一體，保證了機身的剛度和穩定性。螺栓拔長預緊方式有以下3種：
圖1 機身結構形式
⑴工頻感應加熱螺栓。即用軟的橡皮絕緣線繞在螺栓中部，把對角兩根拉緊螺栓的加熱線圈接在一起，并接入交流電焊機的次極，通入工頻低壓大電流，幫助螺栓加熱伸長。這種結構目前已經很少采用。缺點是加熱時間長，效率低，另外橡皮絕緣線容易老化。
⑵液壓螺母（圖2）。液壓螺母充入高壓油后，螺母7提升使得螺栓伸長。當拉緊螺栓拉長到預緊力為1.5倍噸位后，在螺母7下面放入兩塊半圓形的墊片9，將油放出后工作完畢。該結構優點是時間短，工作效率高；缺點是工作空間大、液壓螺母造價高、使用時間長久后里面密封圈易老化損壞、拆卸困難，造成液壓螺母破壞。
圖2 液壓螺母
7-螺母 8-活塞 9-墊片
⑶液壓拔長器（圖3）。這是一套專用的拔長裝置，可用于相近噸位的壓力機安裝。它的工作原理與第二種相同，優點是將螺栓拔長后，擰緊螺母12，可將螺母10，底座11拆下，用于其他相近噸位的壓力機，可以重復使用。它的成本比液壓螺母低，也不用擔心密封圈老化損壞問題。缺點是在拔長處得空留一倍多螺栓的長度，預緊螺栓之后沒有得到有效地利用，浪費材料。
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中國神奇自主設計客機，可望拿下世界第一！用上了戰斗機氣動布局
為實現這一新穎的機身結構，“靈雀B”驗證機運用了大量復合材料，并使用3D打印技術打造次承力部件、起落架。
“靈雀B”完成的風洞六自由度飛行，將極為有利于下一步氣動、飛行、控制整體化設計取得更大突破。
過去，美國也曾經推出了一些相關“翼身融合”的設計概念，或者縮比模型驗證機，例如波音聯合NASA研制的X-48B飛翼驗證機。應當說它更接近飛翼布局，但仍有翼身融合的特點。
但應當指出，X-48B的技術跨度極大，因此在進行一段時間測試后，已經被束之高閣。目前，哪一個國家先推出氣動布局打破幾十年來傳統的民航客機，很可能是綜合國力直接比拼的結果，我們相信在中國國力迅速增長的情況下，第一種翼身融合民航客機首先出現在中國，是完全可能的。
展開 新聞速遞丨Altair與JetZero達成戰略合作，共拓翼身融合飛機技術新紀元
翼身融合飛機突破傳統筒體-機翼結構限制，通過翼身融合設計實現全表面升力優化與阻力最小化。更寬的機身結構在提升客艙空間舒適度的同時，也可增強貨運型號的有效載荷能力。翼身融合結構在輕量化與降噪方面表現突出。后置上翹式發動機布局可將起降噪聲向上傳導，顯著降低對機場周邊區域的聲學影響。JetZero 計劃于 2027 年完成其設計的全尺寸原型機首飛。
關于 JetZero
JetZero 致力于開發全球領先的商用翼身融合飛機。其 Z4 型號相較現役客機燃料消耗降低近 50%，以 5000 海里航程覆蓋 200-290 座級中端航空市場需求，為行業碳減排提供創新解決方案。JetZero 在美國空軍、NASA 及 FAA 協作支持下，基于數十年翼身融合技術積累，計劃于 2030 年實現商業化運營。
Altair 技術是實現噴氣時代以來航空技術重大跨越的核心支撐。借助 FlightStream 等工具，團隊得以高效開展大規模仿真研究，以革新性解決方案推動產業升級。Z4 飛機的研發進程印證了 Altair 在塑造航空未來中的關鍵作用。
—— JetZero 聯合創始人兼首席執行官
Tom O’ Leary
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關于 Altair 澳汰爾
Altair（納斯達克股票代碼：ALTR）是計算科學和智能領域的全球領導者之一，在仿真、高性能計算 (HPC) 和人工智能等領域提供軟件和云解決方案。Altair 能使跨越廣泛行業的企業們在連接的世界中更高效地競爭，并創造更可持續的未來。
展開 從 “數據采集” 到 “性能躍遷”：
Simcenter LMS 如何用振動噪聲試驗，激活高端裝備核心競爭力？
汽車領域，可支撐整車NVH性能標定、動力總成振動溯源，解決行駛噪音、怠速抖動等痛點；航空航天領域，高可靠性滿足發動機試車振動監測、機身結構聲學驗證需求；工程機械領域，能應對液壓系統振動分析、駕駛室降噪優化等復雜任務，為高端裝備研發提供數據驅動保障。
作為振動噪聲試驗領域標桿方案，Simcenter LMS系列以軟硬件深度融合、場景適應性強、分析精度高的特性，持續助力各行業企業縮短研發周期，提升產品核心競爭力。
通用原子公司成功完成MQ-9B無人機雷電測試
將一定比例的電流照射到飛機結構表面，以模擬直接的電擊。電流在飛機結構表面傳導，再從一個預定的返回位置導出。測試的結果驗證了MQ-9B雷電防護設計的效果。此次全尺寸測試對確定機身結構、一體化設備以及布線形式的相互影響起到了重要作用，這三個方面都將納入飛機的雷電防護設計。
通用原子公司將MQ-9B的基本型命名為“天空衛士”（ SkyGuardian），將海上監視型命名為“海上衛士”（ SeaGuardian），它是MQ-9“捕食者”B系列中通過北約適航標準STANAG 4671認證的改型。MQ-9B是公司自投資金5年研發的成果，目的是研發一型能夠滿足嚴苛的軍民用適航認證需求的遙控駕駛飛行器，其中包括英國軍用適航管理局（MAA）和美國聯邦航空局（FAA）的適航標準。英國皇家空軍正準備在PROTECTOR RG Mk 1項目中采購MQ-9B的武器化改型。（中國航空工業發展研究中心 譚健美）
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