空客A320飞机前后登机门框结构设计对比分析

李柯楠

【摘 要】本文以空客A320飞机前后登机门框结构为研究对象，对其不同的结构设计进行传力分析，并使用CATIA分别对其模拟建模，将模型导入到HyperWorks软件对其在1倍气密载荷条件下，进行有限元计算，并对得到的结构进行对比分析。

【关键词】空客A320飞机；门框结构设计；HyperWorks软件；有限元分析

0 前言

空客A320系列飞机是欧洲空中客车工业公司研制生产的单通道双发中短程150座级客机，是在役的最成功的单通道双发商用飞机，空中客车工业公司由法国、德国、英国和西班牙的宇航公司共同组成，因此A320飞机前后部段分别由不同的国家设计，由于设计理念的不同造成了结构设计上的差异，虽然前后登机门结构相似，但结构布置及细节设计存在一定差异，本文将针对空客A320飞机前后登机门框结构进行模拟建模及有限元分析，对此问题进行分析。

1 研究对象分析

1.1 前后登机门门框结构概述

A320飞机前后登机门门框结构设计成由门框前后加强端框及门框上下梁所组成的“井”字形加强构件与加强蒙皮构成的典型大开口加强形式。门框结构主要由化铣加强蒙皮、加强垫板、前端框、后端框、上槛梁、下槛梁、纵向加强件组成，如图1。

1.2 结构差异对比

A320飞机前后登机门门框结构差异主要在于门框及壁板的设计：前登机门门框附近采用密框结构，框距较小，门框端框框高为165mm，对应门框止动块布置数量较少但结构较强的机加成型短梁。后登机门门框为普通框距，门框端框框高120mm，布置与长桁数量相当的钣金成型短梁；前登机门门框壁板由加强蒙皮与角部加强垫板组成，加强蒙皮选用8mm厚的2024-T42包铝板材，采用多台阶化铣，在登机门开口角部十字交汇区增设内加强板，以有效的控制转角处的工作应力。后登机门门框加强蒙皮按破损安全止裂结构设计，加强蒙皮在登机门开口中间分成前、后两块，通过对接带板对接，蒙皮根据载荷分布情况采用变厚度多级化铣成型，以减轻蒙皮上应力集中情况。

2 传力分析及结构差异分析

2.1 传力分析

前登机门门框处机身受载主要受载为气密载荷、自身惯性载荷，其中对前登机门门框结构影响较大的载荷为气密载荷。后登机门门框处机身除承受气密载荷、自身惯性载荷外，还需传递垂尾、平尾所产生的操纵载荷，因此其受载比前登机门处的机身更严重且更为复杂。

根据机身开口的传力特点，开口周围结构需传递大量的蒙皮剪力、机身轴向力、弯矩及扭矩，因此A320飞机前后登机门门框结构的总体布置均采用了由加强蒙皮、上下槛梁、纵向加强短梁、加强端框及其邻接框组成的典型的“井”字形开口加强结构形式。加强蒙皮传递由气密载荷、飞行载荷、操纵载荷及打断长桁所引起的剪流；上下槛梁传递机身轴向力（由梁外缘剪流传递）及弯矩（由梁内缘剪流传递）；加强端框传递机身扭矩；纵向加强短梁、加强端框及其邻接框组成的盒形结构传递止动块上的舱门载荷。上下槛梁、前后端框应尽量靠近开口以限制开口边缘蒙皮应力水平及变形，由于机身主要承受气密载荷产生环向变形，所以应保留环向前后端框的连续，蒙皮应在开口四个角部应力集中的区域进行加强。

2.2 结构差异分析

在门框加强端框框高、纵向加强短梁、壁板等方面的差异，应从机身前、后段受载的角度分析。

前登机门门框处机身主要受载为气密载荷、自身惯性载荷和起落架载荷。自身惯性载荷主要使机身产生剪力、弯矩和扭矩。起落架载荷又分为垂直载荷、航向载荷和侧向载荷，其中最严重的是垂直载荷，对机身产生较大的剪力和弯矩；其次为航向载荷，对机身产生轴向力和弯矩；侧向载荷相对较小，主要使机身产生扭矩及环向剪流。其中对前登机门门框结构影响较大的载荷为气密载荷。

后登机门门框处机身除承受气密载荷、自身惯性载荷外，还需传递垂尾、平尾所产生的剪力、弯矩及扭矩，因此其受载比前登机门处的机身更严重且更为复杂。

载荷情况的不同导致了前、后登机门处机身结构设计上的差异。由于前登机门机身段的彎矩、剪力、扭矩等均较小，此段机身主要结构为无长桁的密框结构，这种结构形式承受弯、扭载荷的能力较差但具有较强的气密载荷承载能力。而后登机门处的弯、扭、剪均较前登机门处严重，因此此段机身采用了连续长桁的结构形式，开口区的长桁一直延伸到前、后端框，这种结构形式承受弯、扭、剪的能力较强。

为了增加抗弯、扭载荷的能力，前登机门加强端框框高设计为165mm，明显高于后登机门加强端框的120mm。

由于前、后登机门的大小相同，其承受的气密载荷也相同，因此其止动接头的形式及布置也一样。但因为框距的不同造成短梁的形式存在差异。短梁主要用于支撑端框腹板、传递接头的附加弯矩及部分法向力。前登机门处框距小，短梁传递附加弯矩的力臂短、短梁两端剪力大，而且前部密框结构框间纵向加强件少，仅有短梁支撑，因此采用了截面较强的机加件；而后登机门处框距为标准框距，短梁的力臂大、短梁两端剪力小，而框腹板由短梁和长桁接头共同支撑，因此采用了较弱的钣金组合件。

前登机门门框蒙皮分块较小、开口周围厚度较厚，相对于后登机门门框的分块蒙皮加垫板的形式具有强度刚度好、应力水平低、重量轻的优点，但由于蒙皮零件复杂程度高、单个零件周边协调关系多，在制造、装配等方面较差，在破损安全方面的性能也较差。

3 有限元分析

3.1 应变分析

工况选取1倍气密载荷，既1ΔP=0.056Mpa。分别对前后登机门门框结构建有限元模型并细化网格，有限元分析结果，在1倍气密载荷作用下前登机门门框结构各止动点最大位移为7.9mm，出现在门框的第3个止动点上，后登机门门框结构各止动点最大位移为2.8mm，出现在门框的第1个止动点上，如图2、3。

通过有限元应变分析可以看出，后登机门门框处，由于机身横截面为圆形截面，其环向刚度基本一致，因此在1倍气密载荷作用下，整个机身横截面变形均匀，最大变形为2.8mm。而前登机门框处，虽然门框构件的截面较强，但是由于机身底部有前起落架舱，机身截面的环向刚度变化很大，因此在气密载荷作用下，门框两侧的变形较大，最大变形为7.9mm。对比结果，前登机门门框的变形协调性不如后登机门门框。

3.2 应力分析结果

通过有限元分析对比前后登机门门框的应力水平，在1倍气密载荷作用下，前门框最大应力198.8MPa，位于底部止动块附近的腹板上。上下缘条应力在100MPa左右；后登机门前框最大应力为1153.8MPa，位于与止动块连接的腹板上。上下缘条的应力在200MPa以下，如图4。

4 结论

通过上述对比分析，前后登机门门框总体布置均采用典型的“井”字形开口加强结构，但是在槛梁纵向件连接、加强短梁布置、蒙皮分块、蒙皮厚度等细节设计上存在一定差异，差异是由于前后机身受载不同、整体结构布置不同、机身截面及外形不同等原因引起的，对比前后登机门门框有限元分析结果，结构布置的差异导致门框整体应力、应变的差异：前登机门门框整体应力水平较低，但变形较大，变形协调性较差；后登机门门框整体应力水平较高，但变形较小，变形协调性较好。

【参考文献】

[1]王钰栋. HyperMesh & HyperView 应用技巧与高级实例[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]牛春匀，郦正能.实用飞机结构工程设计[M].航空工业出版社，2008.

[3]《飞机设计手册》第10章[Z].

[责任编辑：张涛]endprint