飛機艙門密封結構的氣密可靠性研究

劉 偉，劉志群，趙曉博，席寶安，岳珠峰

（西北工業大學 力學與土木建筑學院，西安710129）

飛機艙門密封結構的氣密可靠性研究

劉 偉，劉志群，趙曉博，席寶安，岳珠峰

（西北工業大學 力學與土木建筑學院，西安710129）

采用可靠性思想分析飛機艙門密封結構參數對密封性能的影響。對兩種型號的艙門密封帶進行整體規格的壓縮實驗，擬合成Ogden模型代入有限元計算獲得門體與門框的二次接觸力的隱式響應關系。將關門行程、裝配尺寸、擋件尺寸等視為隨機變量，采用Monte Carlo法對兩種密封帶的氣密可靠性進行比較，得到了密封結構參數的均值靈敏度和方差靈敏度，對艙門密封帶選型與結構的優化設計提供參考。

艙門密封結構；密封帶；氣密可靠性；靈敏度

飛機艙門的密封是防止艙內漏氣或失壓的重要保障［1］，氣密性能與密封結構的設計密切相關。圖1是某型飛機艙門組合密封結構截面示意圖，它主要由P型密封帶、密封壓條、Z型擋件、門體和門框組成。圖中的d1為門體與門框間隙；d2為擋件縱向距離；d3為Z型擋件橫向尺寸；d4為關門行程；r為檔件導角半徑。但是，由于制造誤差、安裝同軸度以及使用過程中的磨損等因素，將導致密封結構的實際位置與設計值存在隨機偏差，這種離散性威脅著艙門的氣密可靠性。

密封帶是一種能夠發生大變形的高彈性橡膠材料［2］，其壓縮變形特性對艙門整體的氣密剛度起主導作用，是選型的重要依據之一。已經有很多學者利用有限元分析方法分析了實心橡膠圈的壓縮應力特性［3－5］，研究對象涉及指尖密封、O型密封，球型密封等。在密封材料性能、仿真以及結構參數對密封性能的影響分析方面進行了十分有益的嘗試［6－9］。本工作選取目前飛機艙門中應用較為廣泛的P型密封帶組合密封結構，考慮了密封結構參數的隨機性，基于密封帶壓縮實驗結合有限元仿真，采用Monte Carlo法抽樣分析了密封結構氣密可靠性和參數靈敏度。

圖1 艙門密封結構截面示意圖Fig.1 Constructed profile of aero－port seal structure

1 密封帶壓縮實驗

1.1 實驗件與實驗方法

艙門密封帶實驗件如圖2所示，其尺寸為660mm×1360mm，內徑為10mm，P型截面，硬度值（邵氏）為50。實驗測試的兩種密封帶分別為：①平紋型織物增強，厚度1.5mm；②普通橡膠型（無織物增強），厚度2mm，實驗測試壓縮量均為0～7mm。

圖2 密封帶實驗件實物圖Fig.2 The test specimen of sealing trip

根據實驗件的尺寸及加載類型，選用FTS復雜加載系統1＃動作器進行實驗（量程：10kN，±60mm）。實驗裝夾示意圖如圖3所示，將密封圈實驗件固定在平板艙門模擬件的卡槽上，平面門體與油缸連接，通過實驗機作動筒的伸縮來控制壓縮量，底部采用配對的平面門框承壓件來模擬關門后的門框。作動筒加載速率設置為0.2mm／s，可視為靜態加載。實驗加載平板艙門壓頭稍大于密封圈，尺寸為700mm×1400mm，為保證平板的加載剛度，平板艙門壓頭材料為45號鋼，厚度為20mm。實驗前首先對FTS設備的測試力進行標定，以消除夾具重力影響，同時利用水平儀對加載夾具進行水平校核。

圖3 密封帶壓縮實驗裝夾示意圖Fig.3 The schematic diagram of clamping and loading for compression tests

1.2 實驗結果

實驗過程中測量并記錄密封帶的壓縮量，每增大1mm記錄對應的加載力值，實驗結果如圖4所示。可見，壓縮力隨著壓縮量呈非線性上升趨勢，并且在相同變形量下，織物增強型密封帶的壓縮力明顯高于普通橡膠密封帶，具有更大的壓縮比。

圖4 兩種型號密封帶的載荷－變形實驗測試曲線Fig.4 Experimental compressive force－displacement curves of two type sealing strips

2 確定性分析

2.1 有限元模型

相比飛機艙門門體、門框和擋件材料（E＝70GPa），密封圈材料的模量很小（E＝0.0075GPa），密封帶作為大柔度結構直接決定著門體的氣密剛度，需要著重關注密封帶的變形。因此，將門體、門框、密封壓條和擋件近似為剛體，只考慮密封帶的變形。建立艙門密封結構的有限元模型，如圖5所示，單元類型選擇四節點平面應變Herrmann單元，單元總數為650。

圖5 飛機艙門密封結構的有限元模型Fig.5 FEM analysis model of aero－port seal structure

飛機艙門密封帶一般設計有小孔，飛行過程中艙內壓力能夠通過這些眼孔滲透進入密封圈內，不但起到了加強密封的作用，還能夠延長密封圈使用壽命。圈內氣壓的作用效果可以采用MARC軟件中特有的CAVITY（氣囊空穴模型）單元來模擬。正常飛行條件下，艙內保壓恒壓值設定為0.076MPa。摩擦模型為庫侖模型，硬鋁與橡膠的摩擦因數取0.25。

2.2 密封帶材料模型

密封圈是橡膠材料，工程上較常采用 Mooney－Rivlin模型，或者Ogden模型來描述該材料特性。利用MSC.Marc軟件中的“Evaluate Material”功能分別采用上述兩種模型對密封圈壓縮實驗數據進行擬合，發現Ogden模型與實驗數據基本吻合（圖6），在單軸拉壓中，Ogden模型在超大應變時也具有良好的符合性，能夠較好地適應非常數的剪切模量情形和材料的輕微壓縮行為，已被成功地應用于密封圈和其他橡膠工業產品分析。其應變能函數定義為：

式中：W為應變能密度分別為3個主應力方向上的伸長率；N一般取3；μk，αk為模型系數，可以通過擬合實驗應力－應變數據得到。

圖6 采用Ogden模型擬合密封圈材料實驗數據Fig.6 Experimental data fit of Ogden model for seal

2.3 仿真結果分析

艙門關閉過程中，密封圈是一個大變形、大應變過程，其有限元網格不斷發生移動、扭曲，尤其是與剛體界面（門框和擋板）相接近的單元經常在接觸與非接觸之間變動，采用MARC對接觸區域的自適應網格重劃分技術，解決網格畸變問題，可以獲得更為精確的結果。圖7為采用接觸區域網格自適應加密計算得到的密封帶截面Cauchy應力分布情況，最大應力出現在密封圈與擋件的接觸部位，大小約15.5MPa。

密封圈與門框和Z型擋件的單位面積接觸力與關門行程的關系如圖8所示。圖中X－frame表示密封帶與門框的X方向接觸力，X－baffle，Y－baffle表示密封帶與檔件的X方向和Y方向的接觸力（X，Y的方向如圖5所示）。由圖8可知，當關門壓縮量達到1.73mm，密封圈首先與Z型擋件發生接觸；當關門壓縮量達到3.95mm時，密封圈與門框發生接觸，是二次接觸。在接觸點，接觸力與關門量是折線關系（連續但不可導）。隨著關門量增大，由于克服摩擦接觸面產生微小滑移，計算過程中接觸力顯示會發生小幅跳動，顯然接觸力與艙門密封結構參數密切相關。

圖7 艙門關閉時密封圈的Cauchy應力及接觸區域網格重劃分Fig.7 Contacting－remesh and Cauchy stress of sealing strip when the aero－port closed

圖8 單位面積接觸力與關門行程的關系Fig.8 The relation between the contact force per area and closing－stroke

3 可靠性分析

3.1 隨機變量與極限狀態函數

由于制造誤差、安裝偏差或者使用過程中門軸等的磨損，均將導致實際裝配尺寸與設計理想值發生隨機偏差，使密封圈的壓縮接觸力不能夠達到密封要求。這里著重評估上述變量對艙門密封帶密封性，根據概率論中心極限定理，一般可認為結構尺寸服從3σ（σ為標準差）的均值正態分布，且相互獨立。隨機變量及其分布特征如表1所示。

密封失效是可靠性評估中的一項重要失效模式。密封帶通過發生彈性變形填滿相互接觸的門體、門框表面之間的間隙，并維持一定的接觸壓力，從而達到氣密效果。泄露率是定量評估艙門密封效果的重要指標，泄露經常是由于密封壓縮力不足導致的，因此接觸力常常作為密封結構氣密性的評判指標［5，8］，艙門設計要求能夠承受3倍設計壓差載荷的內外壓差，折算到單位接觸面積上的壓縮力要求大于0.25N，因此密封失效的極限狀態方程gi可以定義為：

表1 隨機變量及其分布特征Table 1 The parameters of seal structure and distribution characteristics

式中：fi（＊）為門體與門框的二次接觸力，與艙門密封結構參數密切相關，其隱式響應關系可以通過有限元確定性計算獲得，i為抽樣次數。根據應力－強度干涉原理，式（2）小于零時的次數與總計算次數的比值即為密封結構的失效概率。

3.2 可靠性分析方法及過程

采用Monte Carlo法進行可靠性計算，主要基于以下3點：（1）密封結構計算涉及接觸問題，其壓縮響應具有非線性隱式關系，對于隱式極限狀態方程的可靠性分析，Monte Calro法計算思路簡單且易于編程實現；（2）由上述確定性分析可知，密封圈與門框屬于二次接觸問題，結構參數不但決定了接觸力的大小，還決定了能否發生接觸，不發生接觸時接觸力恒為零，因此，密封圈與門框之間接觸力與結構參數之間的響應關系是一個接觸點位置隨機變化并且與密封圈與擋件的第一次接觸相關，會導致難以擬合合適的響應面和計算收斂性問題［10］；（3）Monte Carlo法的結果可信度要高于其他方法，常常作為校核其他方法的依據。本密封圈單次確定性仿真的時長較短，因此Monte Carlo法的計算成本仍然在可接受的范圍。

結合自編程實現數據指定分布的隨機化處理與抽樣，同時調用 Marc軟件進行上述確定性計算，計算完成后提取密封帶與門體的接觸力進行失效統計并代入可靠度計算公式和靈敏度公式，獲得艙門密封結構的失效概率和各個隨機參數的靈敏度。分析流程如圖9所示。

圖9 采用Monte Carlo法分析艙門密封結構氣密可靠性流程圖Fig.9 Air－tight reliability analysis process of aero－port seal structure by Monte Carlo method

3.3 可靠性分析結果

采用Monte Carlo法對隨機樣本進行抽樣5000次，分別計算得到兩種密封圈的失效概率對比，如表2所示，Pr為抽樣計算獲得的可靠度。兩者敏度分析結果大致一致，織物增強型密封帶由于較好的壓縮比具有更高的密封可靠度。

表2 兩種密封帶的氣密可靠度及其概率敏度分析結果Table 2 The reliability，mean value sensitivity and variance sensitivity results for two types sealing strips

織物型密封帶的密封組件主要結構變量的均值靈敏度和方差靈敏度分析結果如圖10所示，可見合理減小門框間距d1，擋件縱向距離d2和擋件導角半徑r，增大Z型擋件橫向尺寸d3和關門壓縮量d4，均有助于提高氣密可靠性。這些變量中，d1，d2，d4的均值和r的方差對失效較為敏感，設計和生產、維修檢驗過程中需要嚴格這些尺寸的檢查。

另外，設計過程中還應注意上述隨機變量對艙門其他性能的雙面影響，例如：（1）d1太小會使密封帶被擠出或“碰框磨框”影響關門便利性和增大磨損；（2）減小d2或增大d4雖然能夠增大接觸應力，但是會直接加重開關門手柄力度，在保證氣密性的前提下設計合適的關門壓縮率是至關重要的；（3）增大d3會減小艙門有效面積，甚至可能會與開關門連桿機構發生干涉；（4）增大r會導致密封帶的應力集中，削弱其使用壽命。所以設計過程中還應在保證密封的基礎上，綜合考慮上述因素和性能指標要求，從而制定出合理的設計范圍。

圖10 密封結構隨機變量靈敏度分析結果（織物型密封帶）Fig.10 The sensitivity results of seal structure parameters（fabric sealing strip）

4 結論

（1）設計過程中在保證密封可靠性的基礎上，須綜合考慮參數的兩面性，結合性能指標要求制定合理的設計范圍。

（2）織物型密封帶具有更高的壓縮比，比非織物型密封帶具有更高的氣密可靠度，建議優先選用。

（3）裝配尺寸（門框間距、擋件縱向間距）和關門行程量的均值和擋件導角半徑的方差對失效較為敏感，設計和裝配、維修檢驗過程中需要嚴格這些尺寸的檢查。

［1］ 飛機設計手冊總編委會.飛機設計手冊（第十冊）［M］.北京：航空工業出版社，2003.

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［10］ 呂震宙，宋述芳，李洪雙，等.結構機構可靠性及可靠性靈敏度分析［M］.北京：科學出版社，2009.

Air－tight Reliability Analysis of Aero－port Seal Structure

LIU Wei，LIU Zhi－qun，ZHAO Xiao－bo，XI Bao－an，YUE Zhu－feng
（School of Mechanics and Civil.＆ Architecture，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China）

The reliability method was applied to analyze the influence of the seal structure parameters on the air－tight performance of aero－port.The Ogden constitutive model was fitted based on compression experimental data of two types of aero－port sealing strip，which was applied to simulate the implicit response of secondary contact force between the door body and door frame by FEM.The seal structure’s parameters such as closing－stroke，assembly dimension，and baffle sizeetcwere treated as random variables，the reliability of the two sealing strips types was compared by Monte Carlo method.The mean value sensitivity and variance sensitivity of above parameters were obtained.The results were helpful for the sealing strip selection and seal structure optimum design.

aero－port seal structure；sealing strip；air－tight reliability；sensitivity

TH114

A

1001－4381（2012）04－0047－05

科工技技術基礎資助項目（Z142010B001）；高等學校學科創新引智計劃資助項目（B07050）

2011－04－06；

2011－11－12

劉偉（1981－），男，博士，講師，主要從事結構疲勞和可靠性方面的研究，聯系地址：西北工業大學長安校區883信箱（710129），E－mail：lw＿npu＠mail.nwpu.edu.cn