某型機艙門框的減重設計

戴詩龍

摘 要：文章論述了某型機艙門框減重設計過程，提出多種方案并進行分析。

關鍵詞：艙門框；減重；設計

1 引言

飛機的費用與其重量直接相關，因此在設計飛機的時候，應該盡可能減小飛機的重量。減重設計在飛機設計過程中是很常見并且很實用的一種設計方法。

在飛機的重量組成中，結構重量是其重要的組成部分。飛機結構的重量控制在飛機設計中非常關鍵。

2 任務描述

為了降低飛機運營成本，某型機提出了艙門的減重要求。其中一艙門為機身前段的左艙門，其總重約為100kg，減重目標為10%。艙門中間位置第四框主要由四個部件組成。兩個主框段001和003，一個盒形件002，一個型材件004。材料為鋁合金7175和2024。

此框的001框段和003框段為框的主要構件，起主要的承力作用。002盒形件，連接兩個相鄰框腹板，并和密封板，梁凸緣，框段凸緣一起，起到支撐密封處內蒙皮的作用。004型材件為連接件，連接框和梁。

CATIA V5應用于3D建模、強度分析和重量分析。設計流程見下圖：

3 減重方案的提出

a.方案一：材料優化，選擇新材料

此框的零件都是通用的鋁合金材料。7175是一種以鋁鋅為主要合金的高強度鍛鋁材料，在靜強度，抗疲勞，損傷容限，抗腐蝕，應力腐蝕開裂等各方面都表現優異。2024是一種以鋁銅為主要合金的鋁合金材料，在抗疲勞，損傷容限方面有很好的性能，但是在靜強度上不是很好。如果想改變材料來減輕重量，那么選擇的替代材料必須強度性能與原來相當或者更優，但重量更輕。

鋁鋰合金是一種低密度、高模量、高比強度和高比剛度的鋁合金。這種新型的鋁合金材料，目前主要應用在一些民航客機的機身結構上。相對其它的通用鋁合金，Al-Li合金有如下優點。

低密度：每1%的Li能帶來3%的密度減少。

高強度：每1%的Li能帶來5%的強度模量增加。

維修兼容性：已定義的關于鋁合金結構維修標準都適用于Al-Li合金結構。

b.方案二：尺寸優化，降低強度裕度

框的零件中，考慮到機加件的強度比較好，余度較大，所以在方案建議中，考慮是否能將框段的主要尺寸減少。比如將001和003框段原來的厚度2.0減少到1.6mm。002盒形件凸緣高度降低，上下各降低5mm，厚度也由原來的2.0和3.0分別減少到1.8和2.6，（如圖2a）。對于004型材，其主要是起連接框和梁的作用，結合旁邊的環境，考慮只將它的長度減少。這樣做必然會對其強度或者剛度有所削弱，但是只要強度還在許用范圍內，那這個方案可以接受。

c.方案三：構形優化，簡化結構形式

上框段001和下框段003，由于其結構形式復雜，承擔著此框的主要功能。所以對其結構形式不做改變。盒形件002，考慮是否可以改成板金件（如圖2b），但是厚度由原來平均2.0改成3.0。

4 減重方案的分析

a.對方案一的分析

從提高材料的性能和減少重量方面來考慮，換成Al-Li合金確實是一種合適之選。但是鋁與鋰的熔點及密度相差4倍以上，為熔煉及加工帶來很大困難，相應會帶來成本的增加。所以，把它作為一個次選方案；

b.對方案二的分析

在對方案二的分析中，主要是安裝協調和強度分析。

安裝協調性要保證不能與周圍系統、結構的裝配，管路通路等產生影響和干涉。零件所受的最大應力是檢驗強度的一個關鍵參數。零件的變形，它表征了零件的剛度性能。

下面以002盒形件為例。其主要更改為腹板和凸緣的厚度、高度。經過協調之后，這些尺寸的更改，不會影響到周圍系統的安裝，也不會與周圍的結構件和系統件發生干涉。

通過CATIA靜強度分析，可知更改前、后最大應力值分別為73、77MPa，最大位移為0.225、0.242mm。最大應力值和變形量變化都很小，滿足原來的要求。

c.對方案3的分析

方案3主要是對002盒形件進行更改。將機加件改成板金件。對周圍環境的影響分析，這個方案對零件改動較大，在連接上，三個連接面的鉚釘數量由原來的雙排，改為一排。這對鉚釘的強度要求有所提高。它周圍沒有系統與之連接，所以對周圍不會產生影響。

強度分析發現更改后所受最大應力值增加了一倍，變形量增加了三倍。不符合強度要求，所以這個方案不能采用。

5 減重計算

從上節的方案分析結果，可以確定方案二（即更改尺寸）為首選方案，方案一（更換材料）為次選方案。方案三（更改結構形式）不能實行。

通過CATIA重量分析得出，更改前框重量1433g，實行方案二更改尺寸后重量1302g，減重131g，占比9.1%；如果再考慮方案一更換材料，則重量為1209g，減重224g，占比16%。

所以，僅實施方案二，減重值接近任務目標值。如果再考慮方案一，則整個框能超出任務值6%，減重效果明顯。

6 結束語

此次減重設計是在原始設計的基礎上，再進行優化設計。方案從制定、分析，再到實施，整個過程包含循環與反饋。當然，就此框而言，其減重方案還有很多，應該考慮的因素還很多，比如失穩，疲勞，整體的剛度等等。這些因素構成了一個復雜的設計環境。多做方案，分析全面，在符合各項要求的基礎上達到最輕重量。

參考文獻

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