民用飛機艙門導向槽優化設計

袁修起

【摘 要】民用飛機艙門導向槽是艙門開啟或關閉時的導向機構。在滿足結構功能的條件下，零件的腹板、筋條等細節特征的位置分布及幾何尺寸對零件的剛度和重量具有直接的影響。為合理分布腹板、筋條等細節特征，本文使用有限元分析軟件HyperMesh和Opti-Struct對導向槽初始結構進行了拓撲優化，依據拓撲優化結果建立了導向槽的幾何模型，并進行了強度計算。通過計算分析，得到了滿足艙門功能要求和試驗目的的導向槽結構，為后續相關產品的設計提供了參考。

【關鍵詞】民用飛機；優化設計；導向槽

0 引言

在民用飛機客艙門結構中，導向槽是艙門打開/關閉過程中的導向裝置。導向槽安裝在門框的兩側。在艙門提升過程中，導向軸貼著導向槽的輪廓滾動，在密封件的壓力作用下，壓緊導向槽輪廓。導向槽位置示意圖見圖1。

圖1 導向槽位置

導向槽是客艙門中比較典型的一個零件，對機構的正常可靠運行非常重要。本文對導向槽的設計進行介紹。在設計過程中，采用設計和分析相結合的方法，借助于有限元[1]仿真軟件，進行拓撲優化和強度校核，力求通過合理的應力分布、恰當的結構形式及選材，獲得一個強度、剛度好而又重量輕的導向槽結構。

1 載荷工況

在正常開關情況下，導向槽受力較小，導向槽強度按空中飛行狀態的載荷工況進行校核。導向槽主要考慮兩種工況下的強度情況：（1）負壓工況；（2）破損-安全工況。

負壓工況下，飛機最大負壓差為-1.0 psi，考慮1.5倍安全系數，則座艙與大氣負壓工況極限載荷為：

負壓工況下艙門蒙皮所受載荷由導向軸通過導向槽最終傳到門框上，作用在導向槽上的最大負壓載荷為5990N。

破損-安全工況即假定某止動塊破損失效的情況下其它止動塊和鄰近的導向槽仍可以承受限制載荷。根據CCAR25[2]條款要求，破損-安全載荷取正常使用壓差與外部氣動載荷組合值的1.15 倍，即：

在單個止動塊破損失效情況下，與其相鄰的導向軸承受最大支反力，此支反力作用在導向槽上。支反力最大值P=9698N，此為導向槽受到的最大正壓載荷。

2 結構設計及優化

導向槽選用材料為Ti-6Al-4V板材，材料彈性模量為116GPa，泊松比為0.31，抗拉強度為 930MPa，屈服強度861MPa。抗拉強度需考慮1.5倍的安全系數，即為930/1.5=620MPa。采用Altair 公司的Hyper-mesh12.0進行建模，用Optistruct求解器進行拓撲優化和靜力分析。

首先對導向槽進行初步拓撲優化，優化模型及結果如圖2所示。優化定義：在現有載荷情況下，定義非連接部位為設計空間；設計空間可拔模；約束：載荷作用點的總位移上限值為0.5mm；目標：最小化設計空間的體積。

根據拓撲優化后的導向槽模型，建立了導向槽的幾何模型及其有限元分析模型。幾何模型如圖3所示。負壓工況導向槽計算結果如圖4所示，破損-安全工況導向槽計算結果如圖5所示。

圖4中零件從應力分布圖來看，單元應力最大為458MPa，與材料的許用安全強度620MPa相比，有比較大的安全裕度。最大位移值為0.38mm，出現在載荷作用點處。零件變形比較小，整體剛度好。

圖5中零件在破損安全工況下最大應力值是583MPa，小于材料的許用安全強度620MPa，最大位移為0.4mm，出現在載荷作用點處。零件變形比較小，整體剛度好。

在拓撲優化前零件重量是0.258kg，依據拓撲優化結果所做的零件重量是0.195kg，減輕63克。和拓撲優化前相比，重量減輕了25%。以上設計過程是在拓撲優化基礎上對零件進行尺寸優化的過程。優化后應力變化比較均勻，材料利用率比較高。經過逐步的設計優化，得出了比較理想的結構形式。

3 結論

本文對客艙門導向槽功能進行了介紹，給出了導向槽的受力情況。借助于有限元分析軟件，在拓撲優化的基礎上通過尺寸優化對比分析應力和變形情況得到了應力分布均勻、剛度好、重量輕的導向槽結構。該零件能夠滿足客艙門的功能要求和試驗目的，可以為同類型結構零件的設計提供重要指導或參考意義。

【參考文獻】

[1]張洪武，關振群，李云鵬，等.有限元分析與CAE技術基礎[M].北京：清華大學出版社m2004.

[2]中國民航局.CCAR25-R3.中國民用航空規章第25 部-運輸類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空局，2001，5.

[責任編輯：楊玉潔]