某型飛機艙門密封結構仿真分析與優化設計

胡碧陽?曹婷?羅濤

摘 要 為驗證增壓狀態下艙門階差能否滿足設計要求，本文通過Hyper Works軟件對艙門進行了有限元建模及密封結構仿真分析，根據仿真分析結果對艙門初始階差及密封帶初始壓縮量指標進行了優化設計與驗證分析，有效地縮短了產品研發周期。

關鍵詞 Hyper Works;密封帶;有限元分析

概述

某型飛機艙門密封系統采用了壓密封的結構形式，當艙門受到增壓載荷時密封帶會壓縮變形，艙門會突出機身外形形成一定的階差，艙門密封形式及階差示意見圖1。

艙門增壓階差為飛機總體指標要求，階差性能的滿足與密封帶剛度、密封帶初始壓縮量、艙門初始階差等有關，影響因素眾多，為滿足這一指標要求，本文利用Hyper Works軟件建立了有限元模型，對艙門密封結構進行了分析優化。

1艙門有限元模型的建立

1.1 建模原則

有限元模型為CATIA模型的1：1比例建模，真實反映艙門及其周邊結構的幾何尺寸、外形特征和連接關系，零件的小孔、圓角、倒角等對仿真計算精度影響不大的幾何特征進行了簡化。框、梁、長桁、隔板、蒙皮等薄板件采用殼單元，厚板件及實體機加件采用六面體單元，鉚釘等連接件采用B31單元。基于此建模原則建立的艙門及機體機構整體有限元模型見圖2[1]。

1.2 密封結構建模

金屬結構建模相對簡單，本文不再詳述。密封帶分析主要是研究密封帶的變形，特別是局部的褶皺等變形，這要求建模時密封帶的單元尺寸較小，而且需要保留的原有的外形特征。因此建模時密封帶單元尺寸為2.0mm，厚度方向保證2層單元，單元為全六面體單元，體網格能更真實的反映密封帶的變形情況，模型共有92760個單元。艙門與密封帶底部連接在一起。密封結構有限元模型見圖3。

密封帶、門體、門框之間添加接觸來模擬三者之間的相互關系，密封帶與擋件、密封帶與門體、采用滑動接觸，門框與檔件之間綁定，密封帶內壁之間采用自接觸，摩擦系數為0.35。接觸形式見圖4。

1.3 材料參數

機體結構除了密封帶外均為鋁合金材料2A12-T4和2024-T315，在分析過程中簡化為各項同性的線彈性材料如表2所示。

本次分析密封帶采用超彈性材料本構3次Ogden進行分析，密封帶材料數據供應商提供。

1.4 載荷工況

本文僅進行氣密工況分析，在艙門蒙皮上施加均布載荷，載荷大小0.035Mpa。

2艙門密封結構有限元分析

經分析，氣密工況下艙門充壓狀態階差如圖5所示，從圖中可知，充壓階差航向前側和航向后較大，上部和下部階差較小，其中航向前側與上部交匯處階差最大，最下端階差最小，且階差數據最小為3.51mm，最大為5.32mm，超出了設計要求中的最大階差4mm的要求。

艙門充壓狀態下密封帶截面圖如圖6所示， 從圖中可知，艙門關閉充壓狀態密封帶被完全壓扁，兩側密封帶內壁接觸在一起，兩側壓縮量最大;航向前側、上部與航向后側連接處大部分被壓扁，密封帶內壁大部分接觸在一起，壓縮量次之;上部中間及下部中間密封帶內壁未接觸在一起，其中下部壓縮量最小[2]。

3艙門密封結構優化及分析

3.1 優化方案

從上文分析可知，艙門在初始階差（未增壓狀態）為-2.5mm、密封帶初始壓縮量2.5mm的情況下，艙門在增壓狀態下的階差不能滿足設計要求。因此，在艙艙門密封帶不改變的情況下，可通過改變艙門初始階差及密封帶初始壓縮量參數來實現增壓狀態下艙門階差的改變，以滿足設計要求。

經分析計算，調整艙門初始階差為-3mm，密封帶壓件增厚1.5mm，將密封帶初始壓縮量為3.5mm。改進方案見圖7。

3.2 分析結果

經分析，優化后艙門關閉充壓狀態階差如圖8所示，從圖8可知，關門充壓階差最大值為3.88mm。艙門階差凸出門框不大于4mm，且階差均勻穩定，滿足設計要求。

4結束語

本文通過HyperWorks軟件對艙門進行了有限元仿真分析，分析結果表明：

（1）在維持艙門密封帶不改變的情況下，艙門初始階差及密封帶壓縮量參數設計不合理，導致艙門在增壓狀態下不能滿足總體技術要求;

（2）優化設計后，艙門關閉充壓狀態階差可滿足總體技術要求。

（3）借助軟件分析可有效地對產品設計方案進行驗證分析與模擬人員操作情況，從而避免反復設計、節約設計成本、縮短研發周期。

參考文獻

[1] 陳定方等.現代機械設計師手冊[M].北京：機械工業出版社，2013：12.

[2] 陜西省標準化研究院編.新編中外常用金屬材料手冊[M].西安：陜西科學技術出版社，2012：6.