民用飞机半堵塞式舱门细节有限元模型

吕国成,陈瑞东,刘可佳,袁强飞,杜芳静

(1.中航沈飞民用飞机有限责任公司 工程研发中心，沈阳 1100132.中国商飞上海飞机设计研究院 强度部，上海 201210)



民用航空与安全工程

民用飞机半堵塞式舱门细节有限元模型

吕国成1,陈瑞东1,刘可佳1,袁强飞2,杜芳静1

(1.中航沈飞民用飞机有限责任公司 工程研发中心，沈阳 1100132.中国商飞上海飞机设计研究院 强度部，上海 201210)

半堵塞式舱门有着不传递机身载荷、初始运动向内、向外打开不占用机内空间等优点，所以半堵塞式舱门在民用飞机上的应用得以普及。半堵塞式舱门主结构的强度分析对于确保舱门的功能性和结构安全性具有重要的意义。以某机型舱门为例，进行半堵塞式舱门细节有限元模型的分析和研究。通过将有限元计算结果与试验结果进行对比分析，表明所采用的舱门有限元模型的简化原则是合理、有效的，为同类型舱门的强度分析提供参考和借鉴。

半堵塞式舱门；细节有限元模型；简化原则

飞机舱门作为民用飞机的重要组成部分，对飞机安全有着直接影响，尤其是客舱舱门直接关系到旅客安全和应急逃生[1]。半堵塞式舱门主结构的有限元模型主要包括细节有限元模型和整体有限元模型两种，整体有限元模型主要用来提取舱门内部的载荷，不能够直接提取舱门内部的应力及位移，然而半堵塞式舱门主结构的性能指标除包括强度外，还包括刚度及稳定性，并且这些参数之间是相互关联的[2-6]，所以现有成熟机型的半堵塞式舱门的有限元模型大部分采用细节有限元模型[7-10]。

通过对民用飞机半堵塞式舱门的研究，给出半堵塞式舱门的细节有限元模型简化方法，对比飞机登机门在气密试验下的试验数据和有限元分析的应力，证明所给定的半堵塞式舱门细节有限元模型简化方法能够达到理想的效果。

1 舱门细节有限元模型建立

有限元分析对强度人员来说，是一个重要的手段，而模型简化是关键。要获得接近真实情况的应力分布，必须合理简化得到优质的计算模型[11]。典型的半堵塞式舱门如图1所示，仅具有传递气密载荷并传递机身载荷的特点，且舱门上所承受的气密载荷首先作用在舱门蒙皮上，再通过蒙皮传递到舱门框梁上，进而传递到舱门止动挡块上，并最终传递到机身上。通过充分考虑半堵塞式舱门的传力特点及长期分析、实践得到的经验，舱门蒙皮在承受气密时将承受一部分面外载荷，为此舱门蒙皮简化成shell(壳)元比较合理，通过蒙皮将舱门气密载荷传递到框梁上后，舱门框梁的主要承受面内的弯曲载荷，为此舱门的框梁简化成板杆结构比较合理，同时考虑到框梁外缘条连接到舱门蒙皮上，蒙皮对其有一定的支持作用，内缘条没有支持结构，框梁腹板将承受一部分外面载荷，为此框梁外缘条简化成杆元、内缘简化成梁元、腹板简化成shell(壳)元。由于半堵塞式舱门气密载荷最终通过止动挡块传递，所以需要真实的模拟舱门与机身的连接，为此将挡块简化成RBE2加BUSH元模拟，并将BUSH元上附上真实的刚度。根据半堵塞式舱门的传力特点及多年的工程经验，给出半堵塞式舱门的简化原则：

(1)舱门蒙皮用CQUAD单元建模并简化成shell(壳)元，shell元厚度为蒙皮的化铣区厚度；

(2)蒙皮凸台用CROD单元建模并简化成rod(杆)元，rod元面积为蒙皮的凸台减轻蒙皮厚度后换算的面积；

(3)舱门梁框简化为板杆结构，其中梁框内缘简化成beam(梁)元、外缘简化成rod(杆)元、腹板简化成shell(壳)元；

(4)舱门止动挡块采用RBE2加BUSH元模拟；

(5)舱门导向轴根据实际结构不同可采用RBE2加BUSH元模拟或采用beam(梁)元模拟；

(6)舱门蒙皮开口处需要建立厚度为0.001的虚板元，这些虚板元的作用是为了补偿开口处的压力损失；

(7)舱门上下边梁外缘条厚度，需要模拟在靠近边梁位置的蒙皮上，以使模型更加接近真实情况；

(8)舱门四边的密封垫支架的厚度真实模拟到细节有限元模型中。

图1 典型半堵塞式舱门示意图

2 应用实例分析

根据上述简化原则，建立某飞机登机门细节有限元模型，如图2所示。

图2 飞机登机门细节有限元模型示意图

由于半堵塞式舱门只承受增压载荷，不传递机身载荷，因此在进行半堵塞式舱门强度分析时，主要考虑结构完整情况下的纯增压工况、结构完整情况下的飞行工况、结构破损安全情况下的纯增压工况、结构破损安全情况下的破损飞行工况[12]。本文分析中采用的载荷工况是登机门结构完整情况下的纯增压工况。根据相关顶层文件规定，该飞机极限增压载荷值为0.121 4 MPa，将该载荷值施加于登机门细节有限元模型外蒙皮上。

表1给出了登机门材料属性和各截面的截面属性。属性列表为各部位的大体属性，一些局部区域的差别此表中不列出。

有限元模型中，对挡块的强制位移约束施加在每个挡块上，且方向基于挡块的局部坐标系，边界条件约束按下述说明进行添加：

表1 登机门材料和属性

(1)分别对舱门两侧所有挡块建立局部坐标系，其中，局部坐标的X向为飞机的逆航向、Y向为止动挡块上止动销钉的轴向、Z向由右手定则确认；

(2)约束舱门每个止动挡块的局部坐标系Y向；

(3)约束舱门铰链臂上与机身相连的两点的整机坐标系的X向及Z向。计算上述得到飞机登机门的细节有限元模型，得到舱门的位移云图如图3所示，应力云图如图4所示。

图3 飞机登机门位移云图(mm)

图4 舱门登机门应力云图(MPa)

2.1 测量点及应变片定义

在进行飞机气密试验时，登机门强度通过应变片进行数据监测，给出5个应变测量点，如图5所示，测量点处应变片类型及编号如表2所示。

2.2 舱门细节有限元模型数据

采用Nastran对舱门有限元模型进行有限元分析，输出舱门应力云图如图4所示。由有限元分析结果可知试验测量点处的应力如表3所示。

2.3 舱门试验数据

2.3.1 试验数据提取

根据试验数据的采集，提取飞机登机门结构完整情况下的纯增压工况下的试验数据，登机门上的测量点及贴片位置如图4所示，各应变片的微应变随着加载百分比的变化值如表4所示。

图5 登机门应变测量点及贴片位置图

测量点应变片类型应变片编号测量点位置测量点1花片101110110211011031101登机门蒙皮(登机门横梁5、6之间)测量点2单片1001103登机门5号横梁处外缘条测量点3单片1001104登机门5号横梁处内框缘测量点4单片1001105登机门6号横梁处外缘条测量点5单片1001106登机门6号横梁处内框缘

2.3.2 试验数据处理

为了与分析数据作比较，需要对试验数据做相应转换处理。应对试验数据中应变片输出的结果通过关系式转化为应力进行对比。通过对试验数据的处理，得到加载至100%时测量点处的应力，如表5所示。

表3 试验测量点处有限元分析应力

表4 登机门上各应变片的应变值 με

表5 100%加载情况下测量点处的应力

2.4 有限元分析数据与试验数据对比分析

将试验数据和有限元分析数据进行了对比分析。其中，试验件上的单片换算的应力与细节有限元模型输出的最大主应力进行对比，试验件上的花片换算的应力与细节有限元模型输出的范米塞斯应力进行对比[13-15]，结果如表6所示。

从表6中数据可以看出：有限元分析数据与试验数据误差相差在10%以内，数据吻合比较好，且有限元分析数据均大于试验数据，满足强度要求。

表6 对比分析表

3 结论

通过在半堵塞式舱门上应用细节有限元法，不但可以提高计算精度，还可以优化设计、模拟试验方案，减少实验次数、减少实验费用。通过半堵塞式舱门的细节有限元分析结果与试验数据对比可以看出，利用所介绍的半堵塞式舱门主结构细节有限元简化方法得到的结果与舱门真实受力情况相吻合。因此，本分析方法具有较高的实用性，可以作为一种分析方法应用于工程实践中。

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(责任编辑：吴萍 英文审校：刘红江)

The detailed finite element model for semi-plug door of civil aircraft

LV Guo-cheng1,CHEN Rui-dong1,LIU Ke-jia1,YUAN Qiang-fei2,DU Fang-jing1

(1.Research & Development Center,AVIC SAC Commercial Aircraft Company Ltd.,Shenyang 110013,China;2.Stress Department,COMAC Shanghai Aircraft Design & Research Institute,Shanghai 201210,China)

With the advantages of not transferring fuselage load,inverted initial movement and not taking cabin space at open position,semi-plug doors are widely applied in civil aircraft.It is important to analyze the structural strength of the main structure of the semi-plug doors to ensure the function and security.The detailed finite element method is adapted to analyze a certain semi-plug door.The comparison of the calculated results and the test results shows that the simplified principle of finite element is reasonable and effective and it can provide reference for strength analysis of the similar doors.

semi-plug door;detailed finite element model;simplified principle

2014-10-10

吕国成(1986-)，男，辽宁沈阳人，工程师，主要研究方向:飞机强度设计，E-mail:lv.guocheng@sacc.com.cn。

2095-1248(2015)02-0080-05

V223+.9

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.02.016