民用飞机货舱门琴键铰链选材分析

卢燚钧上海飞机设计研究院，上海　201210



民用飞机货舱门琴键铰链选材分析

卢燚钧
上海飞机设计研究院，上海201210

摘要本文通过对某型民用飞机货舱门琴键铰链在采用三种不同材料时，受到载荷工况作用下的情况进行比较，得出一种既满足强度要求又尽可能满足飞机减重需要的材料选用方案，用于民用飞机货舱门琴键铰链的设计工作。

关键词民用飞机；琴键铰链；材料

民用飞机货舱门是实现飞机货物、旅客行李装载的重要部件。货舱门不仅提供进入货舱的通道，而且参与全机受力，在飞机飞行时承受增压载荷。所以必须保证货舱门有足够的强度。某型飞机货舱门在舱门关闭时，主要通过琴键铰链以及闩和机身连接，舱门打开时，舱门主要通过琴键铰链以及提升机构和舱门连接。

琴键铰链主要实现2个功能，飞机飞行时舱门关闭处于增压状态，铰链主要传递机身剪力、舱压载荷，当飞机泊位舱门打开时，琴键铰链又将悬挂舱门承受舱门的重力和动力装置载荷。

本文对某型飞机货舱门琴键铰链进行分析，通过比较采用不同材料下的琴键铰链受载情况，最终确定琴键铰链的材料。

1　材料选用

目前，民用飞机结构主要采用铝合金、钛合金、钢材等几种材料。7050铝合金具有高强度、高韧性、良好的抗应力腐蚀和断裂韧性等特点；钛合金具有高强度、耐磨性好、耐蚀性好、耐热性高、塑性韧性高等特点；不锈钢具有高强度、高硬度、耐腐蚀性好等特点［1］。本文通过对货舱门琴键铰链在采用7050铝合金、Ti-6Al-4V钛合金、15-5PH不锈钢等几种不同材料下的受载情况分别进行分析比较，以确认一种合适的琴键铰链材料方案。

2　有限元模型

琴键铰链由5段铰链构成，中间段为412.4mm，两端长度为286.6mm，其余2段为264.4mm，铰链间的间隙为2mm。这样的设计可以限制铰链的裂纹扩展，保证疲劳寿命，同时提高铰链的生产工艺性以及装配工艺性。琴键铰链基本形式如图1所示。

本文对琴键铰链采用实体单元建模，采用Hyperwork有限元分析软件对货舱门琴键铰链进行分析。有限元模型如图2所示。

图1　琴键铰链基本形式

图2　琴键铰链有限元模型

琴键铰链主要受增压舱气密工况以及飞行载荷工况，由于增压舱气密工况载荷较大，故仅取增压舱气密工况载荷进行分析。根据极限载荷工况计算，琴键铰链单个耳片最大载荷为11 606N。

3　计算及分析结果

根据极限载荷工况结果，对分别采用3种材料的琴键铰链进行计算分析，所得结果如表1所示。由于琴键铰链由5段铰链构成，分别列出每段的分析结果，1、5分别对应两端，3对应中间段，2、4对应其他两段。

通过分析，发现琴键铰链两端受力较大，中间几段受力较小；位移变形也是两端较大，中间较小。

通过表1材料性能的比较，在采用7075-T7451的算例中，琴键铰链两端的应力接近7075-T7451的最大

表1　琴键铰链分析结果

许用应力，比较危险；采用Ti-6Al-4V、15-5PH的算例中，琴键铰链所受应力均在材料的许用应力范围之内。

通过分析比较，可以知道琴键铰链在两端的受力较大，接近7075-T7451铝合金材料的最大许用应力，采用7075-T7451铝合金材料比较危险，应尽量采用Ti-6Al-4V钛合金和15-5PH不锈钢材料；琴键铰链其他部分受力较小，本文分析的3种材料均可满足需要。

考虑到尽可能减轻飞机重量以及加工工艺性要求，琴键铰链两端应采用Ti-6Al-4V钛合金材料，其他部分采用7075-T7451铝合金材料。这样既满足了极限载荷工况下的强度要求，又尽可能的减轻飞机重量，是一种满足综合性能要求的材料选用方案。

4　结论

本文通过对货舱门琴键铰链在采用3种不同材料时，受到极限载荷工况作用下的情况，使用有限元软件进行分析，得出一种既满足强度要求又尽可能满足飞机减重需要的材料选用方案，用于民用飞机货舱门琴键铰链的设计工作。

参考文献

［1］飞机设计手册总编委会编.飞机设计手册［M］.航空工业出版社，2000.

中图分类号V25

文献标识码A

文章编号1674-6708（2016）165-0227-01

作者简介：卢燚钧，上海飞机设计研究院。