民用飞机机身节点载荷计算方法研究

袁 伟

(上海飞机设计研究院，上海201210)

作者简介：袁伟（1989—），男，工程师，硕士，主要研究方向为飞机结构强度设计，yuanwei1@comac.cc.

摘要：提出了机身节点载荷的计算方法。首先将分布载荷处理成框站位载荷，其次根据框面内载荷计算得到机身垂向及侧向节点载荷，根据框面外载荷计算得到机身轴向节点载荷，最终得到整个机身的节点载荷，完成了机身载荷从分布载荷到节点载荷的转换。实例计算结果表明：运用该机身节点载荷计算方法所得结果误差小，节点载荷分布合理、有效。

关键词：框站位载荷；节点载荷；分布载荷；面内载荷；面外载荷

中图分类号：V222        文献标识码：A       文章编号：2095-509X(2021)06-0043-04

飞机在滑行、起飞、爬升、巡航、下降、着陆时一直承受着各种各样复杂的载荷。确定一架飞机在不同环境下所承受的载荷十分重要，它直接决定飞机设计的质量、生产制造的进度以及飞机最终的市场占有率。

机体结构的强度与所承受载荷的大小及载荷的分布有关，因此对施加在机体有限元模型上的载荷要求尽可能地反映真实情况。将载荷正确地施加在有限元模型上，这是机体结构强度设计的首要条件，也是飞机精细化设计的必然要求^［1］。徐建新等^［1］介绍了一种静载荷等效方法，将某飞机方向舵上的气动载荷等效转换为加载点上的载荷。尹建军等^［2］根据能量等效原则，基于薄板弯曲单元理论，提出了分布载荷离散化处理算法。张建刚等^［3］对于二维翼面气动载荷，根据原始气动压力点的压力值，采用样条曲面拟合方法拟合得到翼面压力分布曲面，由该曲面得到有限元节点上的压力值，再在有限元模型单元上积分得到有限元节点载荷；对于三维的翼面载荷，直接在气动网格上积分得到气动载荷的小块集中力，然后按照沿某一方向投影的方法，找到该集中力作用的单元，最后按照二次规划方法，将其分配到有限元节点上。尹晶等^［4］通过对飞机机翼截面载荷分布基本规律的研究,提出了椭圆和抛物线两种分布形式下的近似解析计算方法，并在此基础上提出了机翼截面分布载荷在节点上的分配算法。张建刚^［5］以气动点上的压力值作为输入，通过插值方法得到结构有限元节点上的压力值，分别采用薄板样条插值函数和弯曲板单元形函数插值的方法进行有限元节点的压力值计算，并将两者的插值结果进行了比较，结果表明，弯曲板单元插值方法计算得到的压力分布曲面更光滑，总力、总力矩也更为准确。

上述文献详细描述了翼面或者舵面节点的气动载荷计算过程、简化方法及节点的选取方法，而对于机身筒段节点载荷计算过程鲜有文献提及，尤其是针对机身的惯性、气动、客载、货载的节点载荷计算。本文从工程实际需要出发，研究如何准确、快速地将载荷分配至机身有限元节点上，提出了一套系统的民用飞机机身节点载荷计算方法。

1 机身载荷概述

民用飞机机身载荷一般有4种：1）惯性分布载荷（以站位坐标及分布力素形式给出，载荷分布较粗），如飞行情况惯性载荷和地面情况惯性载荷；2）气动分布载荷，如飞行情况气动载荷等；3）计算站位处按照传力路线形成的累积载荷（弯矩、剪力、扭矩、轴向力），如动载荷的增量载荷；4）集中载荷，如前起落架惯性载荷、交点载荷、收放作动筒载荷等。

2 机身节点载荷计算原则

机身节点载荷的计算总体上必须保证计算后的加载站位力或加载节点力的总和、作用点及方向应与原分布载荷或累计载荷一致。在向有限元模型上施加结构所受载荷时，应在保证总载和总压心的前提下尽可能地分配到受载结构有限元模型的所有节点上，以保证有限元分析结果的准确性。在分配载荷时，一定要保持结构设计的真实载荷传递路径，确认所有载荷作用位置的正确性，以确保主受力结构承载的真实性。具体载荷分配原则如下：1）静力等效原则；2）保持真实的传力路线，特别是在相邻部件联接区，如前起落架与机头之间，要确保前起落架与机头各传载接头传载的真实性；3）不可跨过主要的传力构件，如客、货的载荷要通过客舱地板、货舱地板把载荷传递到机身壁板和框上，不可跨过地板结构直接把载荷施加到机身壁板和框上；4）避免局部结构节点载荷过大。