飞机舱门地面风载响应特性研究

(中航西飞民用飞机有限责任公司，陕西 西安 710089)

0 引言

民用飞机的舱门在地面停机时，为了方便人员和货物的进出，应保持在打开位置。特别是对于侧开舱门，在打开位置舱门完全依靠舱门机构悬挂在机身上，不可避免地会受到风场的干扰，这就使得风载成为影响侧开舱门设计的重要因素之一。按照CCAR25.415的要求[1]，地面突风情况的风载要求是65节，即120 km/h，因此飞机舱门在保持开启位时应能承受120 km/h的风载。如何使舱门及其机构具有高的静态结构刚度和优良的动态结构性能，是舱门设计所面临的新挑战。

在工程应用中地面风载影响日益受到重视，国内外很多行业都在地面风载的稳态及动态影响方面做了大量的研究[2-6]。而对于飞机舱门的地面突风载荷情况，依据现有的设计资料及国外的参考资料[7-8]，均不考虑动态风载的影响，在舱门设计过程中，传统的分析手段是将风载看作静态载荷作用在舱门上。然而，在实际自然环境中风载并不是一个固定的量，关于地面动态风载对舱门的影响，缺乏具体的分析和设计手段；同时将风载看作静态载荷是否能包容动态载荷的影响，缺少设计经验，也没有相应的理论依据。因此有必要研究动态风载对舱门及其机构的影响。

在此，以某型飞机的侧开舱门为研究对象，采用有限元分析方法，分析舱门打开状态的静态风载响应和动态风载响应，并对舱门在地面风载作用下的响应特性进行研究总结。

1 突风载荷数学描述

风载是自然界中经常会遇到的一种随机载荷，由于障碍物的影响，风在流动过程中表现出随机脉动特性。根据自然界风的实测数据，可以发现在风速曲线中包含长周期分量和短周期分量[9]。因此，风载对结构的作用由平均风效应和脉动风效应组成。其中平均风效应可由静力分析得到，脉动风载响应由随机振动分析获得。

对作用于舱门上的风载来说，其静态风载将引起舱门的变形，而动态风载有可能会导致舱门及其支撑机构振动甚至产生共振。

1.1 静态风载

静态风压根据下式计算[10-12]

P=(1/2)cρv2

(1)

P为舱门上的静风压；c为风阻系数，与结构状和气流状态有关；ρ为地面空气密度；v为风速。静态风载作用力为

F=PA

(2)

A为舱门的迎风面积。

1.2 等效风速法

等效风速法[13]是通过计算得到等效风速vequ之后，将等效风速代入式(1)、式(2)中进行计算，即可得到舱门的等效静态风载。

等效风速考虑了风的静态和动态部分同时作用的效果，表达式为

(3)

vm为平均风速；v为瞬时风速；σv为风速的标准误差。

1.3 功率谱密度法

功率谱密度法是一种较好的研究随机风载响应的手段。近地面风的运动模型通常采用Von Karman能量谱和Davenport能量谱来描述，Kaimal和Simiu等人经过研究提出了Kaimal谱[14]，其表达式为

(4)

n为频率；Vz为距离地面的高度z米处的平均风速；无量纲参数f(n,Vz)=n·z/Vz；风的剪切速度uf(Vz)=Vz/(2.5ln(z/z0))；z0为风的剪切速度；取机场地面粗糙度为0.05[15]。这种经过改进的功率谱模型，更适合用来表达低频区和离地高度对功率谱的影响。

当风作用到结构上，空气动力衰减因子表征为

(5)

可得到总风速为

V(t)=Vz+v(t)

(6)

将V2(t)=[Vz+v(t)]2展开，得到

(7)

将式(7)截去高次项，结合式(1)，可得风压

P(t)≈P+2Pv(t)/Vz

(8)

根据式(4)～式(8)，可得到随机风载的风压谱为

(9)

2 地面风载响应的有限元实现方法

在PATRAN软件中建立含铰链臂的舱门有限元模型，舱门的蒙皮材料采用金属材料2524-T3，纵梁、横梁及铰链臂等采用金属材料7050-T7451。在分析过程中将机身对舱门的支持简化为刚性支撑。

地面风载响应分析采用NASTRAN软件。按照式(1)计算出静态风压，施加到舱门有限元模型的受力面上进行静力分析，就能得到舱门的位移、应力等静力响应；对于动态风载响应，采用频域法进行随机响应分析，将式(9)计算得到的风压谱施加到舱门的迎风面上，即可获得动态风载对舱门的影响。得到静态风载响应和随机风载响应之后，通过对二者的响应数据进行叠加，就可以得到风载的总作用。

3 地面风载响应分析

3.1 静态风载分析

根据式(1)，计算地面风速v=120 km/h时的静风压。c=1.0，ρ=1.225 kg/m3。

考虑到风垂直作用到舱门的载荷情况，将风压P施加于舱门理论外形面，门体最大应力为19.8 MPa，铰链臂最大应力36.9 MPa，舱门变形主要表现为沿Y向的位移，舱门前上角Y向位移最大，为4.06 mm。静态风载作用下舱门变形云图及坐标系如图1所示，其中定义X轴正向为前，Z轴正向为上。

图1 静态风载作用下舱门变形云图及坐标系

3.2 模态分析

在进行动态风载荷响应分析之前，对舱门进行模态分析。可以发现在第2阶振型，表现舱门沿Y向摇摆，如图2所示，对应特征频率为23.4 Hz；其他模态如第1阶(14.1 Hz，舱门绕Y轴扭转)、第3阶模态 (33 Hz，舱门绕Z轴扭转) 因和Y轴正交而不予考虑；从第4 阶模态(39.8 Hz)开始表现为局部结构(腹板)的变形，如图3所示。

图2 第2阶模态振型 图3 第4阶模态振型

3.3 风载PSD分析

随机振动通常以功率谱密度(PSD)函数的形式来描述[16]。为了确定舱门的动态风载响应，按式(9)计算得到在风速v=120 km/h时的随机风载PSD曲线，将PSD曲线施加在舱门上进行随机响应分析，获得舱门在随频率变化的单位正弦压力下的位移响应。在舱门上选取3个位移追踪点：P1为舱门与铰链臂连接处的位移追踪点；P2为舱门前上角的位移追踪点；P3为舱门后下角的位移追踪点。由于风压载荷方向近似为Y向，分析得到舱门上3个位移追踪点在Y方向的位移响应如图4所示。

图4 位移追踪点在Y方向的位移响应

由图4可以看出，振型方向与载荷方向一致的第2阶模态频率23.4 Hz附近舱门响应出现峰值状态，而振型方向与载荷方向正交的相关频率处舱门几乎没有响应。

随后采用平方根法(SRSS)对这些响应峰值进行组合，确定在整个风载频率范围内的位移RMS值。由前面可知，只有低阶模态对舱门的影响较大，因此只需要提取结构低阶模态中的重要模态部分进行计算，即可得出舱门的位移RMS值。舱门位移追踪点的位移RMS值如表1所示，其中δx，δy，δz分别为X向、Y向、Z向3个方向的位移。

表1 舱门位移追踪点的位移RMS值 mm

由表1可知，在风载作用于舱门时，舱门的动态风载响应主要表现为沿Y向的移动，同时可得到地面风载作用下舱门Y向位移PSD响应曲线如图5所示。

图5 地面风载作用下舱门Y向位移PSD响应曲线

接着，计算了各频率范围舱门Y向位移RMS值，结果如表2所示。

表2 各频率范围舱门Y向位移RMS值

从表2可知，对舱门，在1～10 Hz的范围内，位移RMS值为1.036 0mm；10～30 Hz的范围内，位移RMS值为1.290 0mm；30～100 Hz的范围内，位移RMS值为0.101 3 mm；大于100 Hz，位移RMS值为0.001 1 mm。

通过上面的分析可以看到，风压谱在较低频区对舱门的影响比较显著，动态风载响应约为静态风载响应的40.8%。因此可以认为，随机风载响应小于静态风载响应，舱门结构在地面风载作用下不会出现共振的情况，但由于风的方向随机性会导致舱门的变形略有增加，其响应为限幅随机振动。

4 铰链臂刚度对风载响应的影响

上述分析中，铰链臂设计厚度为20 mm，为了评估舱门机构刚度对风载响应的影响，分别以铰链臂厚度从5 mm到80 mm进行风载响应分析，得到铰链臂厚度对风载响应影响曲线，如图6所示。

图6 铰链臂厚度对风载响应影响曲线

由图6可以看出，铰链臂刚度对风载响应影响比较明显，厚度较大时，舱门的固有频率较高，动态风载位移响应小于静态风载位移响应；随着厚度的逐渐减小，舱门的固有频率也随之降低，动态风载位移响应逐渐接近静态风载位移响应，动态风载对舱门的扰动更加明显。

5 结束语

系统对飞机舱门地面风载响应特性进行了研究，首次采用风速功率谱密度法分析动态风载对舱门的影响，计算方法实用有效，有助于开展舱门结构和机构的优化设计工作；动态风载响应总体上小于静态风载响应，且不会发生共振，按照静态风载进行舱门设计可以包容动态风载的影响，但在设计中应对风载总响应加以控制，防止变形过大；动态风载响应随着铰链臂刚度的降低而逐渐显著，设计时应保证铰链臂有足够的支撑刚度。