民用飞机舱门与机身开口结构的变形协调分析

2022-05-17朱小龙陈晓峰程家林

科技创新与应用 2022年13期

闫伟，朱小龙，陈晓峰，程家林

（成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川成都 610092）

随着全球经济发展，民用航空货运业务呈现出了快速增长的趋势[1-2]，尤其是在新冠肺炎疫情全球肆虐的情况下，民用货机的重要性显得更加重要。由于民用货机在飞行的时候需要时刻保持在增压状态下，并且民用货机的货舱门由于需要进出集装箱等货物，舱门大多采用外开的非堵塞式舱门[3]，所以在飞机设计的过程中货舱门与机身门框的密封变形协调是一个重要的关键设计技术。现在很多的学者也在民用飞机舱门与门框的变形协调中做了一些相对应的研究，如刘伟等[4]对飞机舱门的密封性能问题进行了研究分析。袁修起[5]利用复合材料民机舱门进行刚度优化设计，针对蒙皮厚度，蜂窝加强垫板以及蜂窝高度等多种连接结构作为设计变量，分析了不同设计变量对舱门刚度的影响。徐焕等[6]针对目前使用的成熟机型货舱门锁钩接头的连接设计类型进行了分析总结，提出了一种新的连接锁钩的设计思路。张涛涛等[7]通过分析航天器舱门与舱体的相对变形以及应力水平情况，提出了一种航天器舱门门框补强的设计方法，有效的对舱门结构进行了加强并且保证了舱门的密封可靠性。冯玉龙等[8]针对民用飞机舱门和机身门框结构的连接锁钩结构的模拟采用弹簧单元来建立有限元模型的方法模拟计算舱门与门框结构的相对位移，通过计算结果表明提出的该模拟方法合理有效满足相应的设计要求。

本文主要针对民用飞机货舱门和机身门框结构之间的复杂连接锁钩及琴键结构刚度有效的模拟进行研究，通过建立舱门与门框之间连接刚度等效的有限元模型，对通过锁钩接头及琴键连接的货舱门与门框结构的相对变形进行分析研究。研究结果表明本文中所提出的舱门和门框连接锁钩及琴键刚度等效方法有效，为舱门和门框的密封性提供一定的技术支持。

1 刚度等效方法

1.1 货舱门和门框的结构布局

民用货机的货舱门根据功能使用需求经常进出集装箱等大型货物，所以是典型的非堵塞式舱门。此类舱门的打开形式均为外开式，该类型的货舱门主要优点是不受设计尺寸的限制，舱门的尺寸设计相对较大，这样可以提高飞机货舱内部空间的使用效率。其劣势是由于是向外打开，则飞机在空中飞行时由于增压载荷作用下发生偶然打开的概率相对较大，从而增加了飞机的安全风险。因此，这类舱门设计过程中防止舱门偶然打开的保险措施变得很重要。按照适航局方的适航条例设计要求该类民用飞机舱门设计时需要有相应的锁钩连接系统、门闩系统、告警装置和增压预防装置等安全可靠的保障系统，其中门闩锁钩主要用来承受增压载荷，对锁定装置的可靠性要求较高。

非堵塞式货舱门和门框结构在飞机空中飞行时承受增压载荷的状态下，主要通过琴键铰链-舱门-门闩锁钩接头的连接方式进行传递载荷，机身舱门周边的主要结构骨架布局形式如图1所示。民用飞机舱门上部边框通过布局上主槛梁、上辅助槛梁增加舱门的整体刚度，舱门通过琴键结构将舱门上主槛梁和舱门进行连接，主要是将机身载荷通过琴键传递给舱门。舱门锁钩接头在舱门开口下端主槛梁处、框站位处或者在两个框站位之间。在框站位处的位置，门闩锁钩接头与货舱门下主槛梁和断框进行连接，主要是将舱门上的载荷传递到机身框结构上。在框站位之间的位置，门闩锁钩接头与货舱门下主/辅助槛梁进行连接，将舱门处的载荷传递到舱门的下辅助槛梁结构。

图1 民用货机舱门口框结构示意图

民用货机的货舱门结构主要包含舱门的纵梁、横梁、边框、外蒙皮、内蒙皮、琴键铰链、门闩锁钩接头、增压/泄压装置以及舱门相应的配套提升机构等结构。纵梁和横梁、蒙皮组成舱门的框架结构，货舱门与机身机体结构是通过琴键铰链和下部门闩锁钩接头等结构进行连接。结构主要为金属材料，纵梁为主承力结构，横梁为次承力结构，横纵梁、琴键铰链和门闩锁钩接头采用机加方式进行制造，舱门内、外蒙皮和边框采用钣金方式制造，采用紧固件连接承载货舱门载荷。货舱门的结构形式如图2所示，其中舱门内蒙皮增加了局部的减轻孔。

图2 舱门结构示意图

1.2 连接刚度等效方法

民用货机的主货舱门和机身门框结构主要采用琴键铰链-舱门-门闩锁钩接头的连接方式进行连接传载。在进行舱门琴键和门闩锁钩结构的有限元刚度模拟时，采用BUSH单元进行连接模拟琴键及门闩锁钩的刚度连接情况。其中琴键和门闩锁钩都是采用组合式的形式进行模拟设计，进行有限元模拟仿真时，首先通过建立舱门琴键及门闩锁钩结构的实体有限元模型，通过建立结构的局部坐标系，分别施加舱门打开路径下的径向和切向的单位载荷，从而计算得到单个琴键及门闩锁钩结构的径向和切向的单元刚度，然后再根据以下弹簧串联的计算方法得到琴键及门闩锁钩结构的总刚度。

1.2.1 琴键组合刚度等效

舱门琴键铰链连接舱门与门框结构的单元刚度PBUSH单元模拟，其中舱门与门框结构连接形式，如图3、图4所示。分别考虑舱门一侧单个琴键铰链和机身门框一侧单个琴键铰链的面内刚度（即径向和切向刚度），然后以弹簧串联的形式，如式（1）所示计算舱门琴键和门框结构单铰链刚度，再考虑每个纵梁对应铰链数量n（按舱门琴键和门框琴键对数计算），由nK得到面内总刚度。如果舱门和门框连接琴键大小尺寸不同，则需要分开计算相应位置的琴键刚度，计算方法同上。

图3 货舱门琴键结构示意图

图4 舱门琴键示意图

1.2.2门闩锁钩组合刚度等效

飞机舱门和机身门框的门闩锁钩连接接头处的PBUSH单元刚度有限元模拟，可认为是分别由3个舱门锁钩接头耳片、C型锁钩连接转轴以及2个机身门框接头的刚度组合，舱门门闩锁钩连接结构形式，如图5所示。分别考虑一组舱门门闩锁钩连接接头锁钩接头耳片刚度K1、C型锁钩连接转轴刚度K2和机身门框接头的面内刚度K3（即径向和切向刚度），然后再以弹簧串联形式，如式（2）所示计算得到门闩锁钩连接接头的组合刚度。由于舱门与机身门框结构是通过多个连接接头进行连接传载，故假设将刚度平均分配到舱门和门框连接接头的位置上。再考虑除以连接点数量n，即平分得到每个连接点位置的面内刚度。

图5 门闩锁钩示意图

2 计算分析

某型民用货机在设计过程中要求飞机舱门在飞行过程中增压载荷作用状态下，舱门主要通过琴键铰链以及锁钩和机身门框连接，忽略密封胶条等密封件的承载变形影响。根据以上刚度等效的方法计算舱门和机身门框连接琴键、门闩锁钩的模拟刚度。其中飞机的增压载荷大小为121.2 kPa，设计要求如下。

（1）舱门和门框结构的相对允许变形不超过4 mm。

（2）舱门本体允许变形不超过6 mm。

根据数模建立有限元模型，并且在有限元建模过程中对货舱门和门框结构的模型缝隙进行密封处理，保证增压载荷的准确性。建立有限元模型中的蒙皮壁板、腹板采用shell单元模拟。舱门及门框结构的内外缘条采用梁单元模拟。货机的货舱门和门框结构主要采用琴键铰链-门-门闩锁钩接头的连接方式进行连接传载，采用BUSH单元进行连接模拟琴键及锁钩的刚度连接情况，根据刚度等效方法模拟计算琴键及门闩锁钩的刚度结果见表1，舱门及机身结构材料参数见表2。