什么是薄壁结构?

[拼音]：bobi jiegou

[外文]：thin-walled structure

由薄型板件和加劲构件组成的结构。飞行器机体广泛采用薄壁结构。板件有蒙皮、腹板、 隔板、 地板等；加劲构件有桁条和梁、肋、框的缘条等。通常桁条和缘条由挤压的或弯制的型材制成，也属于薄壁杆件。板件与加劲构件的连接有铆接、 焊接、 胶接或混合等方式，而以铆接居多。不加劲的薄壁壳体，如球形、柱形容器和矩形贮箱等，也属于薄壁结构的范围，但受力分析与加劲薄壁结构不同，属一般板壳力学研究的对象。

初期的飞机因受材料、工艺和设计水平的限制，采用比较简单的杆系骨架作为总体承力系统，在骨架外覆盖布质蒙皮，用以承受分布的空气动力载荷并将其传递给骨架。布质蒙皮不能严格保持空气动力所要求的外形，而且骨架和蒙皮分工承担各自的任务，对结构重量是不经济的。金属蒙皮和桁条组成的加劲壁板既有足够的局部弯曲刚度，又能参加总体承力，所以薄壁结构比杆系结构有显著的优点，在30年代就取代了杆系结构，成为航空结构的主要形式，广泛用于机翼、尾翼、旋翼、机身。薄壁结构也用于航天器和火箭结构，如箭翼、箭体、舱体等。高速飞行器对蒙皮抵抗弯曲和屈曲的能力提出更高的要求，在薄壁结构的基础上又出现了整体结构、夹层结构、蜂窝结构、复合材料结构等型式。对于航天器和火箭结构的某些部位，普通的薄壁结构已不适用。

薄壁结构受力分析与一般工程中的梁或壳体不同。例如，对于机翼结构首先须考虑将分布的空气动力载荷传递给骨架节点的过程，这时把蒙皮看作为许多块周边支持的弯曲板，把桁条和缘条看作为许多段端点支持的弯曲梁进行局部传力分析；其次考虑连同蒙皮在内的整个结构传递总体载荷的过程，这时全部构件参加受力，但杆件和板件都不能抵抗弯曲和扭转。板件和杆件受压(或板件受剪)时可能发生屈曲。对于薄壁杆件，受压屈曲中除弯曲屈曲模态外，还有局部屈曲模态、扭转屈曲模态、弯扭屈曲模态等。

蒙皮参与承受正应力的程度依其厚度而异，在飞机各个发展阶段并不相同。对于低速飞机，薄的铝合金蒙皮已具有必需的局部刚度，从而能保证空气动力外形的要求。这时蒙皮厚度主要根据所需的机翼扭转强度和刚度决定。薄蒙皮在受压区承受正应力的能力实际上可以忽略不计，而且在受拉区承受的正应力对整个剖面弯矩值的作用也很有限，所以这类结构的弯矩主要由翼梁的缘条和桁条承担，梁式薄壁结构为这类结构的典型代表（图1）。对于高速飞机，薄蒙皮不能保证空气动力所要求的局部刚度，也不能保证防止机翼颤振所需的扭转刚度，于是要求增加蒙皮厚度。这时为了减小结构重量，就应充分利用较大厚度的蒙皮承担弯矩。为此必须减小受压区桁条间隔以提高蒙皮承受正应力的能力，同时削弱翼梁的缘条。桁条式薄壁结构又称半硬壳式结构，是这类结构的典型代表。用于机身和箭体的薄壁结构由纵梁、桁条、隔框和蒙皮组成(图2)，有良好的空气动力外形，强度和刚度高，重量小，还能保证机身内部容积的充分利用和布置门、窗等大开口的要求。