民用飞机舱门导向槽优化设计分析

陈明松

中航西飞民用飞机有限责任公司 陕西 西安 710089

引言

民用飞机舱门导向槽是在开启/关闭舱门时所必需的导向机构，保证该导向机构和机构功能相符基础上，零件腹板与筋条等一些比较细节的位置，实际分布情况和尺寸数值等，都会影响到零件刚度、重量。为了保证舱门导向槽功能与作用的正确体现，必须做好优化设计，一般应用有限元分析软件展开拓扑优化，根据导向槽初始结构进行建模，计算实际强度。计算所得结果便可作为满足舱门功能要求的最佳结构数值，也为之后其他零件、产品、结构的设计提供支持。

1 民用飞机舱门导向槽设计基本要求

民用飞机客舱门结构中包括导向槽这一部分，是开启/关闭舱门的导向装置。舱门两侧位置安装导向槽，提升舱门时导向轴紧贴导向槽滑动，同时密封件受到压力，将导向槽轮廓压紧。作为舱门结构中最为经典的零件，最关键的作用是维持舱门稳定运行。对导向槽进行优化设计，必须要保证设计、分析同步进行，采用有限元仿真软件，展开拓扑优化、强度校对，保证应力分布、结构选材与形式等的合理性，加强导向槽刚度与强度[1]。

当舱门处于常规开关状态，此时受力不大，运行强度根据民用飞机空中飞行状态载荷工况可以展开校对。通常需要对以下负压、破损－安全两种工况下的导向槽强度进行分析。如果处于负压工况，那么民用飞机最大负压差是-1.0psi，假设安全系数为1.5倍，座舱、大气负压工况极限载荷可以按照公式1.5×（-1.0psi）计算，得出最终结果为-1.5psi，换算之后结果是-0.01034MPa[2]。处在负压工况下，舱门蒙皮承受载荷，一般从导向轴向导向槽进行传递，最终传递至门框，得出导向槽最大负压载荷。处于破损－安全工况时，如果任意止动块破损，附近导向槽依然能够承受限制载荷。按照规定破损－安全载荷取值，以常规使用状态下的压差、外部气动载荷组合值1.15倍为准[3]。一旦其中一个止动块因破损失效，邻近导向轴可以承受的最大支反力便会在导向槽发生作用，根据支反力最大值可得出导向槽承受最大正压载荷。

2 民用飞机舱门导向槽优化设计流程

2.1 设计思路

以免滚子移动过程中出现中止运行的现象，导向槽内表面、滚子必须始终控制间距，确保滚子始终单边接触槽轨道。平均压力平面是止动块连线，躲避止动块时导向槽提升曲线、平均压力平面之间必须要控制好角度。

民用飞机舱门在优化设计阶段，需要保证互换性，安装导向槽也要具有可调节的功能。所以，导向槽无须直接与舱门框连接，可以在下表面设计锯齿面，该锯齿面为双方向齿形，和舱门框齿形板搭配应用。螺栓穿过齿形板、导向槽，在舱门框上预固定，对于齿形板与舱门框而言，是环向相对位置的约束条件[4]。舱门协调安装阶段，利用导向槽、齿形板中间锯齿啮合，能够在齿形方向对导向槽进行调节，直至导向槽与界面配合规定相符，最后紧固螺栓即可。齿形板上方导向槽根据锯齿齿距调节，为了控制调节量，导向槽、齿形板、主框三者之间采用螺栓连接，螺栓连接孔直径要大于螺栓直径，建议开方孔、长圆孔和圆孔。如果选择开圆孔，需要搭配应用椭圆槽垫圈，不仅调节导向槽更加便捷，还符合导向槽优化设计、安装基本要求。

2.2 选材与参数设定

导向槽选材环节，优先使用Ti-6Al-V板材，所有材料弹性模量控制在116GPa，抗拉强度是930MPa，泊松比设定为0.31，屈服强度是961MPa。其中抗拉强度的设置，还需要综合分析1.5倍安全系数，按照930/1.5的公式计算，得出最终抗拉强度为620MPa。创建模型建议采用Hypermesh软件，拓扑优化与静力分析则可以运用Optistruct求解器。

2.3 建模与分析

导向槽初步拓扑优化、建模，需要以现有载荷为依据，对非连接部位进行定位，设定成为设计空间。该设计空间要具有可拔模功能。约束条件的设置，载荷作用点总位移上限值设定0.5mm，将目标设置为最小化空间体积。按照拓扑优化之后得到的导向槽模型，可以进一步创建导向槽几何模型、有限元分析模型，再分别负压工况和破损－安全工况下的导向槽结果[5]。

3 民用飞机舱门导向槽设计建议

3.1 制造与安装

民用飞机舱门的导向槽和其他零件的连接，主要利用紧固件，安装紧固件时，导向槽、齿形板等之间的组合孔必须达到规定孔位精度。框作为关键安装件，导向槽、齿形板孔形位公差，一般是将框上孔作为标准。框连接多个零件，主框零件分布十分紧凑，应用定位器有利于降低安装难度，还可以节省安装所需空间。定位器凸头部位和框上孔利用干涉、过渡的方式进行固定，框的另外一侧螺栓可直接穿过导向槽、齿形板，定位器卡紧装置固定螺栓，如果后期需要更换零件，可以将螺栓取出[6]。

从理论层面分析导向槽孔径，一般理解为螺栓直径与调整量相加，孔尺寸的精度符合要求即可，关键的一点是孔群相对位置必须要保证精度。组合位置度公差约束和基准转动、平移相比，前者可能会对整体位置带来限制。导向槽组合孔必须达到位置度规定，使用紧固件将齿形板、框进行连接，也务必符合螺栓孔相应的基准位置关系。所有零件的相同的孔、公差规范性，建议在装配现场进行直接配钻，零件加工环节框钻终孔，而齿形板则钻初孔，到配钻环节必须将框上孔作为参考的标准。

3.2 齿形公差分配

导向槽与齿形板锯齿一般以60°螺纹为主，采用滚齿加工工艺。如果零件锯齿相对基准角度存在明显偏差，那么将会对导向槽中滚子的平滑移动带来阻碍。导向槽互相垂直其中一个方向的锯齿被定义为第一方向，与之垂直另外的锯齿则是第二方向。将第一方向角度公差假设为∠0.010AB，按照实际尺寸参数，使用公差运算便可获得第一方向齿形最大偏斜角度，证明其与滚子界面配合规定一致[7]。如果导向槽与齿形板上方的第二方向与第一方向的相对垂直度偏差十分明显，即便两个零件的第一方向可以正常啮合，导向槽第二方向锯齿也有可能发生无法正常卡入齿形板的问题，使得导向槽悬于齿形板。基于此，在优化设计时，导向槽、齿形板第二方向相对于第一方向的垂直度偏差达到最大，导向槽依然可以和齿形板保证配合效率，达到锯齿配合规定的公差要求。此外，计算理论最大啮合深度，当两个零件的第二方向分别为最大垂直度，此时齿面贴合率必须大于理论状态75%。

3.3 计算孔径尺寸

按照导向槽安装需求与要求，导向槽相互垂直锯齿方向必须要对3个齿距进行定义，将其当作调节量，以0.1in为宜。定义孔径时，需要维持最佳调节量。在此基础上还必须符合“如果制造偏差累积已经达到最坏状况，而且螺杆无法触碰孔壁”的条件。孔半径、轴线位置必须要设定相应的约束条件，配合后孔单侧间隙与最大累积误差相减之后，结果要超过调节量。

3.4 材料纤维方向

导向槽材料纤维方向共有3个，即L方向（Longitudinal）、LT方向（Long Transverse）、ST方向（Short Transverse）,L方向垂直与另外两个方向。其中L向与工作方向、金属纤维流动主方向为平行关系，也是最大强度的方向。为了满足舱门结构设计要求，原材料的选择建议应用不锈钢材质的方形棒材，L向即为应力最高方向，在优化设计过程中可能会面临采购、规格参数等因素约束。对材料强度进行校验，发现ST方向最弱，但也能够符合强度要求。

4 结果与启示

根据零件应力分布情况，单元应力最大值、材料许用安全强度对比，安全裕度较大。观察最大位移值的实际发生位置在载荷作用点，零件变形不明显，而且能够保证良好的刚度。处于破损－安全工况下，零件最大应力值不会超过许用安全强度，最大位移值同样是发生在载荷作用点。而且零件变形与刚度均比较理想。未对导向槽进行拓扑优化时的零件重量，与拓扑优化之后的零件重量对比有所降低。上述所有优化设计，是以拓扑优化为前提进行的零件尺寸优化，经过优化处理之后的零件应力变化更加均匀，而且提高了材料利用率，民用飞机舱门结构形式也能够达到最为理想的状态。

民用飞机舱门可以满足飞机正常飞行的安全性，一旦在空中飞行过程中出现紧急状况，可以直接通过舱门疏散乘客，保证所有乘客额的人身安全，乘客也可以在最短时间逃离。基于此，舱门作为重要部分，无须承受机身总体载荷，但必须要承受客舱增压载荷。舱门部位的机身总体载荷，也可直接理解为舱门附近结构，也就是门框承受。导向槽是舱门结构的重要组成部分，必须保证一定的刚度，确保舱门在发生危险时可以快速开启。此外，民用飞机轻度追撞着陆，此时因为机身可能发生变形，会卡住舱门，优化设计导向槽可以将该故障发生概率降到最低。开启舱门的全过程一般包括解锁、提升、推开三个环节，舱门提升环节的楣梁结构，建议优先应用鹅颈铰链，沿着既定轨迹分别向内、向上提升舱门。向内运行的作用是舱门可以从止动块接触面处转移，移动轨迹则是依靠舱门导向槽进行控制，滚子沿导向槽轨道进行移动，达到舱门打开/关闭的操作目的。

结合民用飞机舱门导向槽的实际功能，对其进行优化设计之后，准确得知导向槽受力情况，采用有限元分析软件展开拓扑优化，对导向槽尺寸参数进行调整，综合对比应力、变形等情况，分析发现导向槽应力分布具有良好的均匀性，刚度、重量也符合导向槽结构要求。导向槽零件和舱门功能要求相符，为今后民用飞机舱门设计提供参考。

5 结束语

综上所述，民用飞机中的舱门是非常重要的部分，一旦发生危险可以及时组织乘客疏散、离开。那么在舱门开启/关闭过程中，导向槽起到重要作用。对导向槽进行优化设计，一方面可以在性能上加以优化，另一方面还能够在选材、功能等其他方面进行完善。对于舱门结构而言可以加强灵活性、安全性，对于民用飞机整体设计而言，有利于优化运行性能，切实加强民用飞机舱门设计水平。