飞机结构通常包括：机身、机翼、尾翼、发动机短舱、起落架、操纵系统及其他系统的结构件。而机身结构不仅包含机身蒙皮、长桁、框等主要结构件，还包括了地板骨架结构。对于民用客机和货机，地板骨架结构一般按照所处位置和用途差异分为驾驶舱地板骨架和客舱地板骨架（货舱地板骨架）。对于民用客机，由于地板骨架结构与飞行员座椅或旅客座椅直接相连，关系飞乘人员的生命安全，因此CCAR-25部的相关条款对地板骨架结构的设计做出了严格要求和规定。
客舱地板结构一般为非气密结构，由地板横梁、结构滑轨及地板面板组成。其中地板横梁一般为工字型梁或T字型梁，腹板开有减轻孔，滑轨结构为带有8字形座椅结构安装槽的机加件。客舱面板一般选用上下玻璃纤维面板，中间夹层为纸蜂窝的通用面板结构。如图1所示。
地板骨架结构一般 需遵循以下强度设计准则：
1）由于地板梁要承受较大集中力（座椅连接，系留等载荷），它本身必须具有足够的强度。对座椅连接，系留等集中力作用区或应力集中区，应进行详细的细节应力分析，进行应力控制检查，确保限制载荷下结构不发生有害变形，极限载荷下不发生结构破坏。
2）在飞机设计中往往遇到地板横梁与框连接部位强度设计，一定注意应力集中及二次弯矩所带来的的问题。
本文考虑到工程算法的局限性，借助通用有限元软件patran和nastran，给出完整的地板骨架结构强度设计思路和方法，并通过某民用客机的地板骨架强度设计来进行验证。
1. 传载分析
对于民用运输类飞机，地板结构一般承受人员座椅，或者货物所带来的的惯性载荷。其中乘员（驾驶员及乘客）载荷通过座椅将载荷传递到座椅滑轨上，座椅滑轨将载荷传递到地板横梁上，地板横梁将垂向载荷传递到机身框上，再通过框传递到机身壁板结构上。
2. 有限元模型建立
根据地板骨架结构的受力特点，应建立地板骨架结构分级有限元模型，包括自然网格模型和细节有限元模型。自然网格模型主要用于全机有限元模型分析，保证地板结构参数满足全机全工况静强度设计要求，而细节有限元模型主要用于局部关键连接区域结构的应力分析，尤其是应急着陆载荷工况下。
（1）自然网格模型简化时根据各部件的受力特点和传力路线，节点取在机身理论外形及框与纵向件的交点处，由这些节点形成自然网格。主要结构有限元模型单元选取原则如下：
a) 地板横梁：简化为杆板结构，缘条简化为杆单元（CROD），杆的面积取缘条的截面面积，腹板简化为板元（CQUAD4和CTRIA3），板的厚度取腹板的真实厚度。
b) 转折梁：简化为杆板结构，缘条简化为杆单元（CROD），杆的面积取缘条的截面面积，腹板简化为板元（CQUAD4和CTRIA3），板的厚度取腹板的真实厚度。
c) 座椅滑轨：简化为杆元（CROD），面积取实际横梁撑杆的横截面面积；
d) 横梁撑杆：简化为杆元（CROD），面积取实际横梁撑杆的横截面面积；
（2）细节有限元模型采取10节点四面体单元（Tet10），连接单元采取梁元（CBEAM）模拟。
3.载荷分析
地板骨架载荷主要考虑全机配套载荷、应急着陆载荷以及局部面载荷。根据型号研制经验，民用运输飞机的应急着陆载荷为地板骨架的严重载荷。
根据CCAR25.561(b)(3)应急着陆条款，前机身旅客座椅在飞机滑行，起飞及降落和飞行过程中必须能够承受的极限载荷系数，见表1。
表1 载荷系数
4.强度分析
机身地板结构骨架结构强度分析，首先利用总体应力分析结果，对地板纵横梁缘条、腹板、地轨边梁以及相关连接部位进行总体强度分析，主要分析以下内容：
a）地板纵横梁缘条本体结构拉伸强度分析；
b）地板纵横梁缘条 本体结构稳定性分析；
c）地板纵横梁腹板本体结构拉伸强度分析；
d）地板纵横梁腹板本体结构压、剪或复合受载后稳定性分析；
e）地板边梁强度分析（按照小载荷剪切梁计算开孔结构）；
f）地板横梁缘条腹板 与机身框连接强度分析。
在满足总体强度设计要求后，利用细节有限元模型对局部连接区域进行强度分析，以确保满足连接强度要求。
5.应用实例
下面给出某民用支线客机地板骨架结构在静强度设计过程中遇到的问题以及解决措施，并且通过试验证明了该强度设计方法的准确性和可靠性。
5.1强度设计
该飞机机身地板骨架由地板横梁、支柱、地板支撑件以及旅客座椅地轨等组成。地板横梁为 “”形截面型材，支柱、地板支撑件为“工”形截面型材，地轨为带座椅滑轨的“”形截面型材。地板骨架结构布置见图1。
图1 地板骨架结构布置图
按照上述设计思路首先建立地板骨架总体模型，通过全机总体模型对全机配套工况进行强度计算，确定地板骨架截面参数，随后发现地轨与地板横梁的连接是通过在座椅滑轨下方的立筋在与地板横梁交汇处铣出缺口搭在地板横梁上表面的连接方式，该连接方式会导致地轨腹板开口圆角区造成较大的应力集中，尤其是在应急着陆向前9G工况下，而采用总体有限元模型无法反映细节高应力区，从而带来强度设计风险，由于圆角区结构的细节特征和受力形式复杂，无法通过工程方法对其进行强度分析，因此建立了地轨与地板横梁连接区的细节有限元模型，通过几何非线性以及材料非线性相结合的分析手段进行了应力分析，接头R区受力状态属于三维符合受力状态，因此采用复合受力的强度判据第四强度理论，给出地轨与地板横梁连接的加强方案如图2所示，地轨缺口R区综合应力云图见图3。
5.2试验
规划了研发试验对计算方法和结构方案进行验证。试验类型分为两种：总体试验和局部连接试验。
试验目的：通过地轨总体强度试验，验证应力分析模型，比较各个方案地轨腹板缺口的总体弯曲承载能力；通过地轨连接强度试验，比较各个方案地轨与横梁的连接及附近区域承载能力，确定地轨的连接方式。
总体试验件支持及加载如图4所示，约束：要求地轨两端施加垂向（Z向）约束，横梁两端施加垂向（Z向）和航向（X向）约束。加载：同时施加前腿载荷和后腿载荷，前后腿加载间距L=430mm。局部连接试验支持方式与总体试验类似，地轨两端施加垂向（Z向）约束，横梁两端施加垂向（Z向）和航向（X向）约束。加载位置为横梁与地轨连接位置，并在加载位置的附近分别对横梁和地轨限制其垂向位移，见图5。
试验结果如下，总体强度试验破坏载荷约为设计载荷的110%，破坏部位为地轨缺口R区根部如图6所示，局部强度试验加载至设计载荷的120%，试验件未破坏，停止加载。试验结果表明：总体强度试验中的地轨缺口R区为试验件薄弱部位，与试前理论分析一致，破坏载荷略高于理论设计载荷，误差在10%，且理论计算结果偏保守，能够满足工程需要 。
图6 试验件破坏现场图
6.结论
本文给出了民用飞机地板骨架强度设计方法，该方法经试验验证，理论计算结果与试验测量结果吻合良好，符合预期，满足工程需求，供强度设计人员参考。
参考文献
[1] 《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册[M],北京：航空工业出版社，2001.
[2] 中国民用航空局.中国民用航空规章-第25部-运输类飞机适航标准：CCAR-25-R4[S].北京：中国民用航空局政策法规司，2016.
