民用飞机货舱门/开口设计方案研究

朱林刚

上海飞机设计研究院强度设计研究部

民用飞机货舱门/开口设计方案研究

朱林刚

上海飞机设计研究院强度设计研究部

在民用飞机机身结构设计中，舱门／门框结构设计是飞机设计的难点之一。舱门／门框可以根据其功能、大小、受力形式的不同分为不同的类型，在其结构设计时，需考虑舱门自身特点，优化其受力形式，在满足其功能的前提下，节省结构重量。本文通过对比现在两大航空公司的典型的货舱门设计，结合飞机设计实际经验以及相关资料，阐述不同类型舱门的设计理念和力学原理，为航空器结构设计师们拓宽思路。

机身结构；舱门；门框；力学原理

fuselages tructure；door；doorframe；mechanical principles

在民用飞机设计中，舱门的设计一直是全机结构设计的重点和难点之一，机身不同部位有相当数量不同大小、形状、功能和承载方式的舱门及开口，例如登机门、服务门、货舱门、应急舱门、起落架舱门等。众所周知的，机身开口后，会导致机体结构的不连续，从而导致应力集中、参差弯曲等问题，所以，舱门开口需要通过不同程度、不同形式的加强，来满足舱门开口及附近结构的强度和刚度。在这些飞机舱门中，一般货舱门开口最大，本文通过对两种主流飞机货舱门以及货舱门框受力的分析，阐述两种不同的舱门/开口设计思路，供飞机设计师们在型号设计初期加以考虑，避免后期更改导致的进度延误或结构增重。

某主流型号飞机的货舱门为典型的堵塞式货舱门，如图1所示，当舱门关闭时，舱门的多个触块和门框上的止动块接触，在舱内增压时，后者限制前者运动，从而保证机身舱的气密性。一般情况下，这种堵塞式舱门在开启时必须向内开启，为了保证舱门能正常开启，舱门开口区域无法装货，使得有限且珍贵的舱内空间无法用于商载。

图1 典型堵塞式货舱门设计

该舱门的门框开口，也采用了传统的“井”字形加强结构设计。门框止动块安装在开口左右两侧的边框上，在飞行过程中承受舱门传递的气密压力，此载荷一方面导致门边框受弯严重，另一方面由于止动块设计时不可避免地相对于其支持结构（门框）存在偏心，导致门边框受扭严重，所以此设计在门开口框两侧设置辅助加强框，利用内蒙皮形成扭力盒，承受此扭矩。因为此受力形式，该货舱门横梁设计较强而环向梁较弱。由于机身壁板开口，为了保证机身壁板航向的承载能力，必须将门框上下槛梁进行加强，传递航向载荷。该舱门铰链在飞行过程中，并不是主要承力构件。

另一主流型号飞机的货舱门／门框设计，与前一种截然不同，见图2。为了充分利用货舱空间，将舱门设计为外开式。因为若将舱门设计为外开式，要么采用一套极其复杂的机构，使得舱门的触块和门框的止动块错开，从而实现舱门向外打开，要么必须放弃触块／止动块的结构形式，采用其它方式实现舱门关闭并锁死。该型号飞机采用了挂钩式货舱门。因为门框左右两侧为弧形但上下边缘为直线，所以该货舱门设计为为上下打开，为了确保在货物装卸时不至于碰伤舱门结构，所以货舱门采用上开式，门上缘与门框上槛梁采用铰链连接，下缘与下槛梁采用挂钩连接。此设计方案，使舱门在机身受载变形时，能够限制门框上下槛梁的相对变形，从而参与全机环向受力。同时，此设计还有一个好处，舱门左右两侧不需要设置触块，从而使得门左右边框受力较传统设计大大减弱，且不需要设置辅助框承扭。所以该货舱门框左右两侧均无需刻意设置辅助框，且门框区域不需要内蒙皮，从而保证了结构的开敞性，便于结构装配和维修。由于机身壁板开口，与前一种货舱门框一样，为了保证机身壁板航向的承载能力，必须将门框上下槛梁进行加强，同时也可以承受舱门参与全机受力的载荷，提高结构利用效率。

图2 典型外开挂钩式货舱门／门框设计

在机身受俯仰弯矩时，由于门框开口，导致机身截面剪心的突变（不连续），从而导致机身开口区存在附加扭矩，需要壁板结构通过参差变形来协调，而这种参差变形导致前货舱门框开口前下侧受载最为严重，如图3所示。所以，一般来说，机身货舱开口一般设置为3.5个框距，货舱开口前边框一般布置在框间，从而使得该门边框和附近的框一起承载，提高结构效率和利用率。

图3 机身受俯仰弯矩时货舱门框的 变形（左）应力分布（右）

对于传统式舱门和挂钩式舱门，现代飞机设计中仍然都一直应用，为了保证气密性，舱门需按刚度设计。传统式舱门机构简单，可靠性强，但与之匹配的“井”字型门框，重量大，结构利用率不高，在局部区域可能存在装配困难的问题。挂钩式舱门，机构相对复杂一些，但依然被各飞机设计公司广泛采用，虽然曾有民用飞机挂钩式货舱门空中自动打开的事故，但是系开门系统故障所致，且挂钩式舱门技术目前已完全成熟，与之匹配的门框，充分利用舱门为刚度设计的特点，让舱门参与机体结构受力，使得门槛能够大幅减重。同时，不管采用何种舱门设计方式，在飞机设计的概念设计和初步设计阶段，应充分考虑开口参差弯曲的影响，对舱门开口进行合理布置。

本文利用对两大主流机型的货舱门设计的理念和受力方式的解读，深入阐述了两种设计各自的优缺点，并通过有限元分析阐明了货舱开口位置的关键性，供飞机设计师在飞机概念设计和初步设计时使用。

[1]牛春匀 著;程小全 译.实用飞机结构工程设计.航空工艺出版社,2008：562页.

[2]牛春匀 著;程小全 译.实用飞机结构应力分析及尺寸设计.航空工艺出版社,2009：516页.

Investigation on Cargo Door/Frame of Commercial Aircraft

Zhu Lingang
Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Stressent, Departm

Duringt he fuselages tructural design of commercial aircraft, doors and doorframes’sk etchi s one of the difficultieos f the aircraft design. Doors and doorframecs ould be distinguishbeyd their function, size, forced pattern, in its structural desig n, the characteristiocsf the door itself need to be considereind order to optimiziet s forced pattern, and then reduce structural weight under the premisoe f functionaal ssuranceB. y comparinthg e typical cargo door design of two airlinesc, ombined with practical experiencoe f aircraft design and relevanti nformationt, his paper expatiate on the different types of door design conceptas nd mechanicparl incipleisn, the interest of broadening their thinking of aircraft structure designers.

朱林刚，男，汉族，1981年4月出生，籍贯江苏，硕士，工程师，机身强度研究室副主任。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.11.108