民用飛機艙門口框設計方案分析

閆鐵

摘 要：民用飛機機身的開口設計是飛機設計的重要組成部分，艙門開口的補強設計直接決定著機身設計的成敗。本文從分析艙門開口周圍結構的功用，根據使用的材料和工藝的不同，制定不同的艙門開口補強設計方案。

關鍵詞：艙門開口；鈑金式設計；整體機加式設計

引言

現代民用飛機的機身通常是“半硬殼式結構”設計。飛機人員出入的艙門由于使用需要，一般布置在結構高載荷區域，開口切斷了半硬殼式機身的總體傳力構件，導致開口部位出現嚴重的應力集中。飛機適航條例要求，在各種情況下用于旅客進出的所有艙門要能夠迅速打開，同時保證飛機增壓艙的安全，所以客機艙門多采用從里向外關閉的“堵塞式”設計。這種設計方式的艙門只承受艙壓引起的環向張力，而機身上的在開口部位的大部分拉伸和剪切載荷要由艙門周圍結構承擔，開口后的補強件不僅會提高設計成本，還會增加結構重量。采用何種方式的開口補強方案將直接影響后續機身詳細設計的成功與否。

本文從分析機身登機門開口對機身載荷傳遞的影響，提出如何在開口周圍布置額外的加強結構來承受這些載荷。根據不同的結構型式承載不同類型的載荷，提出兩種不同的開口周圍結構加強方案，從載荷傳遞、制造可行性及結構可靠性方面分析兩種方案優、缺點，以期對今后民用飛機的設計有所借鑒。

1 艙門開口周圍結構設計要求和結構形式

1.1 艙門開口周圍結構設計要求

由于使用需求，艙門開口一般布置在機身的重要承載部位，切斷了機身承載剪力的蒙皮和傳遞拉、壓載荷的長桁、機身框，需要在開口區域增加相應的加強件來轉換、傳遞機身載荷。通常艙門開口周圍結構骨架要先裝配成組件再與蒙皮、長桁組成壁板，同時由于艙門頻繁的開、關使用以及飛機每次承載的變化，要周密考慮艙門與艙門口框間的協調及相應零件的調整與修理、互換等。艙門口框的設計必須滿足適航要求和環境準則，要充分考慮制造可行性和互換性及協調性、設計更改的要求，要盡量作到結構重量最輕、材料采購及制造成本最低。

1.2 艙門口框結構形式

艙門開口切斷了機身的縱、橫向受力構件，導致局部結構應力急劇升高，開口邊緣應力集中。為平衡元件結構應力，使其滿足等強度原則，考慮在開口區域布置墊于蒙皮內側或外側的鋁合金加強板，在開口的上、下、前、后分別設置一根薄壁組合梁。此外，在開口周邊設置傳遞門上氣密載荷的支撐接頭及組合短梁。這樣的加強形式結構簡單，傳力路線清晰，同一構件上避免復合受力，符合耐久性原則。

傳力載荷的路徑越直接，其結構的效率就越高。由于開口區域載荷的重新分布而引起一些力，要承受這些增加的力需在開口附近增加結構元件。艙門開口區域有四種重新分布的載荷（機身蒙皮剪切力、截斷桁條載荷、座艙增壓引起的縱向和周向拉伸載荷、門上的座艙增壓力和門銷座的再分布載荷），如何增加結構元件用以承擔這些再分布載荷，將直接決定艙門口框的設計形式。

2口框設計方案一

根據開口區域重新分布的載荷，延續未開口時的結構形式增加板、桿結構元件重新承載再分布載荷。由于開口造成結構局部產生應力集中及保證結構安全有效性，對口框區域劃分為蒙皮類和骨架類結構并按破損-安全原則設計結構增強元件。

2.1 蒙皮加強設計

蒙皮類增強元件主要承受開口區的剪力、張力和開口區四角的局部彎矩。R、r區域是疲勞敏感部位，最大應力有將圓角區撕裂趨勢，故圓角邊緣與零件邊緣要近似成45度，圓角尺寸需強度精細分析計算。材料選用抗疲勞開裂性能優異的鋁合金2024板材，采用化銑制造工藝。其結構形式如圖1。

2.2 骨架加強設計

骨架類元件是開口區最主要加強件和維形件，用于開口區剪流的轉換，補償開口區橫向、縱向傳力元件的削弱，以及分解來自艙門的載荷。對骨架零件采用板、桿元件組合形式，用于承受局部區域再分布載荷形成的軸向和剪力偶合。材料選用靜強度性能優異的鋁合金7075擠壓型材，采用機加工藝。其結構形式圖2：

口框結構元件采用鈑金件設計，零件制造工藝簡單，工藝裝備少，采用標準型材協調性好，制造成本低，損傷容限特性好。由于零件數量較多，需要增加裝配工時，組件重量大。

3口框設計 — 方案二

選用鈑金型式設計增強元件，結構重量大。有大量的接頭安裝在門框上，這些接頭需要有正確的位置，即使在定位后，裝配過程中，撞擊、劃傷和鉆錯孔的情況也經常發生，且門開口有高風險的沖擊損傷。為減輕結構重量，同時滿足結構強度和剛度，可考慮將受力復雜的緊挨門開口的框和梁采用鈦合金整體加工成形，載荷較小的零件采用復合材料典型結構方案。這樣的結構零件數量少，整體性強，易于協調，采用這個方案裝配好的門框也易于修理。

3.1 蒙皮加強設計

機身蒙皮主要承受剪切載荷和機身筒段的彎曲載荷。采用碳纖維增強材料，應用纖維自動鋪放工藝（AFP）將蒙皮加強板與連接帶板合體制造，通過不同數量纖維鋪層的鋪放達到強度要求的口框區厚度要求，滿足等強度原則，同時也達到減重的目的。

3.2 骨架加強設計

開口周邊彎、扭載荷較大，采用剛度和強度較好的鈦合金整體機加件，剖面C形，骨架輔助零件由碳纖維RTM法制造，剖面為Z形，并通過剪切角片連接到蒙皮上。肋板由厚的熱塑性板壓制而成，并與門框、輔框以及蒙皮相連。整體骨架結構形式如圖3。

鈦合金框、梁與碳纖維結構件之間采用Z形接頭連接到零件的內緣條和腹板上。為更好的維持骨架剛性，框與梁、肋板之間用整體機加的盒式拉伸接頭連接。

口框結構元件采用整體機加件設計，結構強度、剛度特性好，重量輕，采用碳纖維材料一體成形技術，零件數量少，易于工件間協調、互換，節約了零件制造和裝配工時。但是，鈦合金的原材料價格和制造成本都非常高，以及碳纖維材料工藝制造的可行性和零件使用的可靠性，在設計初期要充分考慮。

4結論

隨著設計、制造一體化理念的出現，現代制造工藝的發展，新材料科學的應用，飛機艙門周圍結構的設計會根據應用工藝和材料的不同而有不同的方案布局。總之，飛機結構的設計方案首先要注意原材料和制造工藝的總成本，也要考慮供選方案的重量特性。同時對重要部位要進行損傷容限（例如沖擊特性）和可靠性評估。此外，結構設計要具有靈活性和協調性，要分析制造可行性。

參考文獻：

[1]牛春勻. 實用飛機結構工程設計[M]. 航空工業出版社.2011年3月

[2]牛春勻.實用飛機復合材料結構設計與制造[M].航空工業出版社，2010.