某型机舱门框的减重设计

2013-04-29戴诗龙

科技创新与应用 2013年9期

关键词：设计

戴诗龙

摘要：文章论述了某型机舱门框减重设计过程，提出多种方案并进行分析。

关键词：舱门框；减重；设计

1 引言

飞机的费用与其重量直接相关，因此在设计飞机的时候，应该尽可能减小飞机的重量。减重设计在飞机设计过程中是很常见并且很实用的一种设计方法。

在飞机的重量组成中，结构重量是其重要的组成部分。飞机结构的重量控制在飞机设计中非常关键。

2 任务描述

为了降低飞机运营成本，某型机提出了舱门的减重要求。其中一舱门为机身前段的左舱门，其总重约为100kg，减重目标为10%。舱门中间位置第四框主要由四个部件组成。两个主框段001和003，一个盒形件002，一个型材件004。材料為铝合金7175和2024。

此框的001框段和003框段为框的主要构件，起主要的承力作用。002盒形件，连接两个相邻框腹板，并和密封板，梁凸缘，框段凸缘一起，起到支撑密封处内蒙皮的作用。004型材件为连接件，连接框和梁。

CATIA V5应用于3D建模、强度分析和重量分析。设计流程见下图：

3 减重方案的提出

a.方案一：材料优化，选择新材料

此框的零件都是通用的铝合金材料。7175是一种以铝锌为主要合金的高强度锻铝材料，在静强度，抗疲劳，损伤容限，抗腐蚀，应力腐蚀开裂等各方面都表现优异。2024是一种以铝铜为主要合金的铝合金材料，在抗疲劳，损伤容限方面有很好的性能，但是在静强度上不是很好。如果想改变材料来减轻重量，那么选择的替代材料必须强度性能与原来相当或者更优，但重量更轻。

铝锂合金是一种低密度、高模量、高比强度和高比刚度的铝合金。这种新型的铝合金材料，目前主要应用在一些民航客机的机身结构上。相对其它的通用铝合金，Al-Li合金有如下优点。

低密度：每1%的Li能带来3%的密度减少。

高强度：每1%的Li能带来5%的强度模量增加。

维修兼容性：已定义的关于铝合金结构维修标准都适用于Al-Li合金结构。

b.方案二：尺寸优化，降低强度裕度

框的零件中，考虑到机加件的强度比较好，余度较大，所以在方案建议中，考虑是否能将框段的主要尺寸减少。比如将001和003框段原来的厚度2.0减少到1.6mm。002盒形件凸缘高度降低，上下各降低5mm，厚度也由原来的2.0和3.0分别减少到1.8和2.6，（如图2a）。对于004型材，其主要是起连接框和梁的作用，结合旁边的环境，考虑只将它的长度减少。这样做必然会对其强度或者刚度有所削弱，但是只要强度还在许用范围内，那这个方案可以接受。

c.方案三：构形优化，简化结构形式

上框段001和下框段003，由于其结构形式复杂，承担着此框的主要功能。所以对其结构形式不做改变。盒形件002，考虑是否可以改成板金件（如图2b），但是厚度由原来平均2.0改成3.0。

4 减重方案的分析

a.对方案一的分析

从提高材料的性能和减少重量方面来考虑，换成Al-Li合金确实是一种合适之选。但是铝与锂的熔点及密度相差4倍以上，为熔炼及加工带来很大困难，相应会带来成本的增加。所以，把它作为一个次选方案；

b.对方案二的分析

在对方案二的分析中，主要是安装协调和强度分析。

安装协调性要保证不能与周围系统、结构的装配，管路通路等产生影响和干涉。零件所受的最大应力是检验强度的一个关键参数。零件的变形，它表征了零件的刚度性能。

下面以002盒形件为例。其主要更改为腹板和凸缘的厚度、高度。经过协调之后，这些尺寸的更改，不会影响到周围系统的安装，也不会与周围的结构件和系统件发生干涉。

通过CATIA静强度分析，可知更改前、后最大应力值分别为73、77MPa，最大位移为0.225、0.242mm。最大应力值和变形量变化都很小，满足原来的要求。

c.对方案3的分析

方案3主要是对002盒形件进行更改。将机加件改成板金件。对周围环境的影响分析，这个方案对零件改动较大，在连接上，三个连接面的铆钉数量由原来的双排，改为一排。这对铆钉的强度要求有所提高。它周围没有系统与之连接，所以对周围不会产生影响。