基于铸造成型的民用客机登机门铰链臂拓扑优化研究

2017-10-09杨小军

科学家 2017年17期

杨小军

摘要大型民用客机登机门普遍采用平移外开的运动形式，是舱门相关适航条款要求下的设计迭代和航空公司选择的结果。作为将舱门悬挂在机身结构上的铰链臂，也随着舱门设计的演进而定型。國外运用铸造的盒式结构来制造登机门铰链臂，国内由于铸造工艺限制，采用机加的桁架式结构。本文基于某型商用客机研制平台，利用计算分析确定了登机门铰链臂的载荷工况，基于铸造成型对铰链臂进行拓扑优化设计，根据优化结果针对铸造工艺进行数模完善和进一步优化，得到可用于铸造的零件数模。

关键词民机；侧挂；铰链臂；拓扑优化；铸造

中图分类号 V2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）17-0237-02

民用客机登机门铰链臂并不承受机身增压载荷，仅在舱门开启关闭过程中承受门自身重力。铰链臂的功能需求决定了刚度是其主要的设计指标，垂向及扭转刚度直接影响舱门在运动过程中的稳定性。本文所述的工作是在铰链臂结构设计中将拓扑优化和铸造的先进工艺有效结合，在提高垂向和扭转刚度的同时，实现了该结构件的有效减重。

1 铰链臂受载分析

铰链臂的受载形式与舱门的运动方式密切相关，世界著名的飞机制造商空客公司是平移外开式登机门的忠实拥护者。其运动如下图1，铰链臂一侧连接在舱门结构上，一侧连接在门框结构上，舱门向（客舱）外向（航向）前平移打开，最大打开状态时，舱门与机身外形平行。

2 铰链臂拓扑优化

剔除非优化区域后的铰链臂模型如下图4所示。

选取国外某型成熟单通道干线飞机的登机门铰链臂进行了研究，该铰链臂采用铸铝成型，重量约为8.41kg。因此拓扑优化目标为：应用相同的材料，相同的载荷工况，优化后的铰链臂与参考铸件铰链臂的刚度相当或更好，重量不超过参考铰

链臂。

以既定的载荷荷优化目标，对图4所示剔除非优化区域之后的铰链臂进行优化，共进行了四轮优化。优化结果如下图5

所示。

上述工况下，拓扑优化的铰链臂达到了与参考机型相当的刚度水平，由铸造成型，第四轮优化方案的重量为7.6kg，比参考机型铰链臂的8.6kg重量减轻12%；比机加成型的桁架式结构铰链臂结构，重量更减轻约50%。