民用飛機艙門與機身開口結構的變形協調分析

閆 偉，朱小龍，陳曉峰，程家林

（成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川 成都 610092）

隨著全球經濟發展，民用航空貨運業務呈現出了快速增長的趨勢[1-2]，尤其是在新冠肺炎疫情全球肆虐的情況下，民用貨機的重要性顯得更加重要。由于民用貨機在飛行的時候需要時刻保持在增壓狀態下，并且民用貨機的貨艙門由于需要進出集裝箱等貨物，艙門大多采用外開的非堵塞式艙門[3]，所以在飛機設計的過程中貨艙門與機身門框的密封變形協調是一個重要的關鍵設計技術。現在很多的學者也在民用飛機艙門與門框的變形協調中做了一些相對應的研究，如劉偉等[4]對飛機艙門的密封性能問題進行了研究分析。袁修起[5]利用復合材料民機艙門進行剛度優化設計，針對蒙皮厚度，蜂窩加強墊板以及蜂窩高度等多種連接結構作為設計變量，分析了不同設計變量對艙門剛度的影響。徐煥等[6]針對目前使用的成熟機型貨艙門鎖鉤接頭的連接設計類型進行了分析總結，提出了一種新的連接鎖鉤的設計思路。張濤濤等[7]通過分析航天器艙門與艙體的相對變形以及應力水平情況，提出了一種航天器艙門門框補強的設計方法，有效的對艙門結構進行了加強并且保證了艙門的密封可靠性。馮玉龍等[8]針對民用飛機艙門和機身門框結構的連接鎖鉤結構的模擬采用彈簧單元來建立有限元模型的方法模擬計算艙門與門框結構的相對位移，通過計算結果表明提出的該模擬方法合理有效滿足相應的設計要求。

本文主要針對民用飛機貨艙門和機身門框結構之間的復雜連接鎖鉤及琴鍵結構剛度有效的模擬進行研究，通過建立艙門與門框之間連接剛度等效的有限元模型，對通過鎖鉤接頭及琴鍵連接的貨艙門與門框結構的相對變形進行分析研究。研究結果表明本文中所提出的艙門和門框連接鎖鉤及琴鍵剛度等效方法有效，為艙門和門框的密封性提供一定的技術支持。

1 剛度等效方法

1.1 貨艙門和門框的結構布局

民用貨機的貨艙門根據功能使用需求經常進出集裝箱等大型貨物，所以是典型的非堵塞式艙門。此類艙門的打開形式均為外開式，該類型的貨艙門主要優點是不受設計尺寸的限制，艙門的尺寸設計相對較大，這樣可以提高飛機貨艙內部空間的使用效率。其劣勢是由于是向外打開，則飛機在空中飛行時由于增壓載荷作用下發生偶然打開的概率相對較大，從而增加了飛機的安全風險。因此，這類艙門設計過程中防止艙門偶然打開的保險措施變得很重要。按照適航局方的適航條例設計要求該類民用飛機艙門設計時需要有相應的鎖鉤連接系統、門閂系統、告警裝置和增壓預防裝置等安全可靠的保障系統，其中門閂鎖鉤主要用來承受增壓載荷，對鎖定裝置的可靠性要求較高。

非堵塞式貨艙門和門框結構在飛機空中飛行時承受增壓載荷的狀態下，主要通過琴鍵鉸鏈-艙門-門閂鎖鉤接頭的連接方式進行傳遞載荷，機身艙門周邊的主要結構骨架布局形式如圖1所示。民用飛機艙門上部邊框通過布局上主檻梁、上輔助檻梁增加艙門的整體剛度，艙門通過琴鍵結構將艙門上主檻梁和艙門進行連接，主要是將機身載荷通過琴鍵傳遞給艙門。艙門鎖鉤接頭在艙門開口下端主檻梁處、框站位處或者在兩個框站位之間。在框站位處的位置，門閂鎖鉤接頭與貨艙門下主檻梁和斷框進行連接，主要是將艙門上的載荷傳遞到機身框結構上。在框站位之間的位置，門閂鎖鉤接頭與貨艙門下主/輔助檻梁進行連接，將艙門處的載荷傳遞到艙門的下輔助檻梁結構。

圖1 民用貨機艙門口框結構示意圖

民用貨機的貨艙門結構主要包含艙門的縱梁、橫梁、邊框、外蒙皮、內蒙皮、琴鍵鉸鏈、門閂鎖鉤接頭、增壓/泄壓裝置以及艙門相應的配套提升機構等結構。縱梁和橫梁、蒙皮組成艙門的框架結構，貨艙門與機身機體結構是通過琴鍵鉸鏈和下部門閂鎖鉤接頭等結構進行連接。結構主要為金屬材料，縱梁為主承力結構，橫梁為次承力結構，橫縱梁、琴鍵鉸鏈和門閂鎖鉤接頭采用機加方式進行制造，艙門內、外蒙皮和邊框采用鈑金方式制造，采用緊固件連接承載貨艙門載荷。貨艙門的結構形式如圖2所示，其中艙門內蒙皮增加了局部的減輕孔。

圖2 艙門結構示意圖

1.2 連接剛度等效方法

民用貨機的主貨艙門和機身門框結構主要采用琴鍵鉸鏈-艙門-門閂鎖鉤接頭的連接方式進行連接傳載。在進行艙門琴鍵和門閂鎖鉤結構的有限元剛度模擬時，采用BUSH單元進行連接模擬琴鍵及門閂鎖鉤的剛度連接情況。其中琴鍵和門閂鎖鉤都是采用組合式的形式進行模擬設計，進行有限元模擬仿真時，首先通過建立艙門琴鍵及門閂鎖鉤結構的實體有限元模型，通過建立結構的局部坐標系，分別施加艙門打開路徑下的徑向和切向的單位載荷，從而計算得到單個琴鍵及門閂鎖鉤結構的徑向和切向的單元剛度，然后再根據以下彈簧串聯的計算方法得到琴鍵及門閂鎖鉤結構的總剛度。

1.2.1 琴鍵組合剛度等效

艙門琴鍵鉸鏈連接艙門與門框結構的單元剛度PBUSH單元模擬，其中艙門與門框結構連接形式，如圖3、圖4所示。分別考慮艙門一側單個琴鍵鉸鏈和機身門框一側單個琴鍵鉸鏈的面內剛度（即徑向和切向剛度），然后以彈簧串聯的形式，如式（1）所示計算艙門琴鍵和門框結構單鉸鏈剛度，再考慮每個縱梁對應鉸鏈數量n（按艙門琴鍵和門框琴鍵對數計算），由nK得到面內總剛度。如果艙門和門框連接琴鍵大小尺寸不同，則需要分開計算相應位置的琴鍵剛度，計算方法同上。

圖3 貨艙門琴鍵結構示意圖

圖4 艙門琴鍵示意圖

1.2.2門閂鎖鉤組合剛度等效

飛機艙門和機身門框的門閂鎖鉤連接接頭處的PBUSH單元剛度有限元模擬，可認為是分別由3個艙門鎖鉤接頭耳片、C型鎖鉤連接轉軸以及2個機身門框接頭的剛度組合，艙門門閂鎖鉤連接結構形式，如圖5所示。分別考慮一組艙門門閂鎖鉤連接接頭鎖鉤接頭耳片剛度K1、C型鎖鉤連接轉軸剛度K2和機身門框接頭的面內剛度K3（即徑向和切向剛度），然后再以彈簧串聯形式，如式（2）所示計算得到門閂鎖鉤連接接頭的組合剛度。由于艙門與機身門框結構是通過多個連接接頭進行連接傳載，故假設將剛度平均分配到艙門和門框連接接頭的位置上。再考慮除以連接點數量n，即平分得到每個連接點位置的面內剛度。

圖5 門閂鎖鉤示意圖

2 計算分析

某型民用貨機在設計過程中要求飛機艙門在飛行過程中增壓載荷作用狀態下，艙門主要通過琴鍵鉸鏈以及鎖鉤和機身門框連接，忽略密封膠條等密封件的承載變形影響。根據以上剛度等效的方法計算艙門和機身門框連接琴鍵、門閂鎖鉤的模擬剛度。其中飛機的增壓載荷大小為121.2 kPa，設計要求如下。

（1）艙門和門框結構的相對允許變形不超過4 mm。

（2）艙門本體允許變形不超過6 mm。

根據數模建立有限元模型，并且在有限元建模過程中對貨艙門和門框結構的模型縫隙進行密封處理，保證增壓載荷的準確性。建立有限元模型中的蒙皮壁板、腹板采用shell單元模擬。艙門及門框結構的內外緣條采用梁單元模擬。貨機的貨艙門和門框結構主要采用琴鍵鉸鏈-門-門閂鎖鉤接頭的連接方式進行連接傳載，采用BUSH單元進行連接模擬琴鍵及鎖鉤的剛度連接情況，根據剛度等效方法模擬計算琴鍵及門閂鎖鉤的剛度結果見表1，艙門及機身結構材料參數見表2。

表1 琴鍵及鎖鉤剛度

表2 材料性能參數

根據有限元模型計算迭代優化分析后，提取數據進行了相應數據分析。氣密增壓載荷下艙門本身相對靜壓情況下最大變形為5.9 mm，位于艙門上端蒙皮邊緣，如圖6所示。艙門與門框周邊結構的相對變形如圖7所示。根據結果顯示，兩者的相對變形最大2.7 mm，滿足設計要求。

圖6 貨艙門本體變形

圖7 艙門與門框相對變形

3 結束語

本文利用有限元分析方法，針對貨機艙門和門框琴鍵、門閂鎖鉤所形成的組合連接結構，提出了一個準確的剛度等效模擬方法。利用該方法進行剛度等效模擬進行艙門和門框結構的相對變形分析，對飛機艙門和門框結構的變形協調研究具有重要意義。