[发明专利]一种金属球面框及其设计方法

说明书

技术领域

本发明属于飞机气密框结构设计技术领域，具体涉及一种金属球面框及其设计方法。

背景技术

飞机上的气密框，分别位于机头的和后机身，是飞机气密区与非气密区的分界面。气密框承受机舱内部的气压载荷，为乘客提供一个安全舒适的气压环境。机头的气密框还能为雷达提供安装位置，尾部的气密框可能为系统管路和导线提供通道和固定点。

位于后机身的气密框一般分为平板框，球面框和组合型气密框。球面框被认为是飞机最主要的结构部件之一。平板框承受气密载荷的形式与球面框不同，导致重量远远大于球面框。大型民用飞机上，一般采用球面框，这样可以提高结构的使用效率，在满足结构强度和刚度要求的前提下，降低飞机结构重量，制造工艺成熟，成本低。

从受力特性看，球面框最好做成半球，即球面半径与机身半径一致。此时框板上的均匀拉应力正好全部、直接地传给机身壳体蒙皮。但半球形状使机身容积利用率低，球面前、后都较难安放有效载重，更难以装满，且工艺上制作也较复杂。因此实际上在大飞机上一般也常采用球面的一部分作为球面框的外形。

球面框在客舱压力作用下，球皮上处处为张应力。与传统的平板气密框相比，重量更轻，受力更加合理。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种飞机金属球面框结构的设计方法。

技术方案：一种金属球面框结构，包括球皮(1)、环向止裂带(2)、径向止裂带(4)及对接件(5)组成，各结均采用金属材料，其中，球皮(1)为球冠外形的壳体结构，在球皮(1)上布置若干环向止裂带(2)、径向止裂带(4)，对接件(5)为环框结构，球皮(1)与机身壁板通过对接件(5)对接。

涉及方法具体如下：

1)球面框气密载荷由以下公式确定：

P＝101325(1-2.2558×10^-5×H_p)^5.2559

ΔP＝P_cabin-P_ceiling

P’＝2ΔP

此处，P为压强，H_p为飞行高度，ΔP为客舱压力差，P_cabin为机身内部压强，P_ceiling为飞行过程中机身外部压强，P’为设计时使用的气密载荷；

2)作用在环框对接件(5)上的挤压载荷由以下公式确定：

此处，为球面框球皮的子午圈角，子午圈角的定义为球皮与球面框框平面的夹角，R为球面框球皮的半径，R_c为飞机机身的半径；

3)作用在环框对接件(5)上的径向载荷由以下公式确定：

4)作用在环框对接件(5)上的轴向载荷由以下公式确定：

5)球面框球皮半径由以下公式确定：

6)球面框球皮高度由以下公式确定：

7)球面框球皮厚度由以下公式确定：

此处f_t是球皮的切向应力；是球皮的环向应力；作为金属球面框，在结构初步设计时取t是球面框球皮的厚度；

8)球面框球皮的面积由以下公式确定：

S＝2πRH

9)球面框球皮重量由以下公式确定：

10)球面框球皮子午圈角由以下公式确定：

此处，ρ为材料密度，球皮的子午圈角最佳角度为60°，子午圈角实际大小可以根据实际需求进行调整；

11)球面框球皮的极限裂纹长度由以下公式确定：

此处，a_c为金属球皮的极限裂纹长度，σ为球皮的应力，K_IC为球皮材料的残余刚度，这个值可以在材料手册MMPDS中查到；

12)球面框止裂带以及球皮分块位置由以下公式确定：

l≤2a_c

此处，l为球皮上止裂带与球皮分块处之间，球皮止裂带之间的最大距离；

13)球面框止裂带宽度以及球皮分块处搭接区域宽度由以下公式确定：

w≥(2d+1)+(2d+1)+4d＝8d+2

此处，d为止裂带以及球皮分块处搭接区域所选取的连接件直径；

14)球面框与机身对接环框对接件(5)腹板厚度由以下公式确定：