民用飛機艙門導向槽優化設計分析

陳明松

中航西飛民用飛機有限責任公司 陜西 西安 710089

引言

民用飛機艙門導向槽是在開啟/關閉艙門時所必需的導向機構，保證該導向機構和機構功能相符基礎上，零件腹板與筋條等一些比較細節的位置，實際分布情況和尺寸數值等，都會影響到零件剛度、重量。為了保證艙門導向槽功能與作用的正確體現，必須做好優化設計，一般應用有限元分析軟件展開拓撲優化，根據導向槽初始結構進行建模，計算實際強度。計算所得結果便可作為滿足艙門功能要求的最佳結構數值，也為之后其他零件、產品、結構的設計提供支持。

1 民用飛機艙門導向槽設計基本要求

民用飛機客艙門結構中包括導向槽這一部分，是開啟/關閉艙門的導向裝置。艙門兩側位置安裝導向槽，提升艙門時導向軸緊貼導向槽滑動，同時密封件受到壓力，將導向槽輪廓壓緊。作為艙門結構中最為經典的零件，最關鍵的作用是維持艙門穩定運行。對導向槽進行優化設計，必須要保證設計、分析同步進行，采用有限元仿真軟件，展開拓撲優化、強度校對，保證應力分布、結構選材與形式等的合理性，加強導向槽剛度與強度[1]。

當艙門處于常規開關狀態，此時受力不大，運行強度根據民用飛機空中飛行狀態載荷工況可以展開校對。通常需要對以下負壓、破損－安全兩種工況下的導向槽強度進行分析。如果處于負壓工況，那么民用飛機最大負壓差是-1.0psi，假設安全系數為1.5倍，座艙、大氣負壓工況極限載荷可以按照公式1.5×（-1.0psi）計算，得出最終結果為-1.5psi，換算之后結果是-0.01034MPa[2]。處在負壓工況下，艙門蒙皮承受載荷，一般從導向軸向導向槽進行傳遞，最終傳遞至門框，得出導向槽最大負壓載荷。處于破損－安全工況時，如果任意止動塊破損，附近導向槽依然能夠承受限制載荷。按照規定破損－安全載荷取值，以常規使用狀態下的壓差、外部氣動載荷組合值1.15倍為準[3]。一旦其中一個止動塊因破損失效，鄰近導向軸可以承受的最大支反力便會在導向槽發生作用，根據支反力最大值可得出導向槽承受最大正壓載荷。

2 民用飛機艙門導向槽優化設計流程

2.1 設計思路

以免滾子移動過程中出現中止運行的現象，導向槽內表面、滾子必須始終控制間距，確保滾子始終單邊接觸槽軌道。平均壓力平面是止動塊連線，躲避止動塊時導向槽提升曲線、平均壓力平面之間必須要控制好角度。

民用飛機艙門在優化設計階段，需要保證互換性，安裝導向槽也要具有可調節的功能。所以，導向槽無須直接與艙門框連接，可以在下表面設計鋸齒面，該鋸齒面為雙方向齒形，和艙門框齒形板搭配應用。螺栓穿過齒形板、導向槽，在艙門框上預固定，對于齒形板與艙門框而言，是環向相對位置的約束條件[4]。艙門協調安裝階段，利用導向槽、齒形板中間鋸齒嚙合，能夠在齒形方向對導向槽進行調節，直至導向槽與界面配合規定相符，最后緊固螺栓即可。齒形板上方導向槽根據鋸齒齒距調節，為了控制調節量，導向槽、齒形板、主框三者之間采用螺栓連接，螺栓連接孔直徑要大于螺栓直徑，建議開方孔、長圓孔和圓孔。如果選擇開圓孔，需要搭配應用橢圓槽墊圈，不僅調節導向槽更加便捷，還符合導向槽優化設計、安裝基本要求。

2.2 選材與參數設定

導向槽選材環節，優先使用Ti-6Al-V板材，所有材料彈性模量控制在116GPa，抗拉強度是930MPa，泊松比設定為0.31，屈服強度是961MPa。其中抗拉強度的設置，還需要綜合分析1.5倍安全系數，按照930/1.5的公式計算，得出最終抗拉強度為620MPa。創建模型建議采用Hypermesh軟件，拓撲優化與靜力分析則可以運用Optistruct求解器。

2.3 建模與分析

導向槽初步拓撲優化、建模，需要以現有載荷為依據，對非連接部位進行定位，設定成為設計空間。該設計空間要具有可拔模功能。約束條件的設置，載荷作用點總位移上限值設定0.5mm，將目標設置為最小化空間體積。按照拓撲優化之后得到的導向槽模型，可以進一步創建導向槽幾何模型、有限元分析模型，再分別負壓工況和破損－安全工況下的導向槽結果[5]。

3 民用飛機艙門導向槽設計建議

3.1 制造與安裝

民用飛機艙門的導向槽和其他零件的連接，主要利用緊固件，安裝緊固件時，導向槽、齒形板等之間的組合孔必須達到規定孔位精度。框作為關鍵安裝件，導向槽、齒形板孔形位公差，一般是將框上孔作為標準。框連接多個零件，主框零件分布十分緊湊，應用定位器有利于降低安裝難度，還可以節省安裝所需空間。定位器凸頭部位和框上孔利用干涉、過渡的方式進行固定，框的另外一側螺栓可直接穿過導向槽、齒形板，定位器卡緊裝置固定螺栓，如果后期需要更換零件，可以將螺栓取出[6]。

從理論層面分析導向槽孔徑，一般理解為螺栓直徑與調整量相加，孔尺寸的精度符合要求即可，關鍵的一點是孔群相對位置必須要保證精度。組合位置度公差約束和基準轉動、平移相比，前者可能會對整體位置帶來限制。導向槽組合孔必須達到位置度規定，使用緊固件將齒形板、框進行連接，也務必符合螺栓孔相應的基準位置關系。所有零件的相同的孔、公差規范性，建議在裝配現場進行直接配鉆，零件加工環節框鉆終孔，而齒形板則鉆初孔，到配鉆環節必須將框上孔作為參考的標準。

3.2 齒形公差分配

導向槽與齒形板鋸齒一般以60°螺紋為主，采用滾齒加工工藝。如果零件鋸齒相對基準角度存在明顯偏差，那么將會對導向槽中滾子的平滑移動帶來阻礙。導向槽互相垂直其中一個方向的鋸齒被定義為第一方向，與之垂直另外的鋸齒則是第二方向。將第一方向角度公差假設為∠0.010AB，按照實際尺寸參數，使用公差運算便可獲得第一方向齒形最大偏斜角度，證明其與滾子界面配合規定一致[7]。如果導向槽與齒形板上方的第二方向與第一方向的相對垂直度偏差十分明顯，即便兩個零件的第一方向可以正常嚙合，導向槽第二方向鋸齒也有可能發生無法正常卡入齒形板的問題，使得導向槽懸于齒形板。基于此，在優化設計時，導向槽、齒形板第二方向相對于第一方向的垂直度偏差達到最大，導向槽依然可以和齒形板保證配合效率，達到鋸齒配合規定的公差要求。此外，計算理論最大嚙合深度，當兩個零件的第二方向分別為最大垂直度，此時齒面貼合率必須大于理論狀態75%。

3.3 計算孔徑尺寸

按照導向槽安裝需求與要求，導向槽相互垂直鋸齒方向必須要對3個齒距進行定義，將其當作調節量，以0.1in為宜。定義孔徑時，需要維持最佳調節量。在此基礎上還必須符合“如果制造偏差累積已經達到最壞狀況，而且螺桿無法觸碰孔壁”的條件。孔半徑、軸線位置必須要設定相應的約束條件，配合后孔單側間隙與最大累積誤差相減之后，結果要超過調節量。

3.4 材料纖維方向

導向槽材料纖維方向共有3個，即L方向（Longitudinal）、LT方向（Long Transverse）、ST方向（Short Transverse）,L方向垂直與另外兩個方向。其中L向與工作方向、金屬纖維流動主方向為平行關系，也是最大強度的方向。為了滿足艙門結構設計要求，原材料的選擇建議應用不銹鋼材質的方形棒材，L向即為應力最高方向，在優化設計過程中可能會面臨采購、規格參數等因素約束。對材料強度進行校驗，發現ST方向最弱，但也能夠符合強度要求。

4 結果與啟示

根據零件應力分布情況，單元應力最大值、材料許用安全強度對比，安全裕度較大。觀察最大位移值的實際發生位置在載荷作用點，零件變形不明顯，而且能夠保證良好的剛度。處于破損－安全工況下，零件最大應力值不會超過許用安全強度，最大位移值同樣是發生在載荷作用點。而且零件變形與剛度均比較理想。未對導向槽進行拓撲優化時的零件重量，與拓撲優化之后的零件重量對比有所降低。上述所有優化設計，是以拓撲優化為前提進行的零件尺寸優化，經過優化處理之后的零件應力變化更加均勻，而且提高了材料利用率，民用飛機艙門結構形式也能夠達到最為理想的狀態。

民用飛機艙門可以滿足飛機正常飛行的安全性，一旦在空中飛行過程中出現緊急狀況，可以直接通過艙門疏散乘客，保證所有乘客額的人身安全，乘客也可以在最短時間逃離。基于此，艙門作為重要部分，無須承受機身總體載荷，但必須要承受客艙增壓載荷。艙門部位的機身總體載荷，也可直接理解為艙門附近結構，也就是門框承受。導向槽是艙門結構的重要組成部分，必須保證一定的剛度，確保艙門在發生危險時可以快速開啟。此外，民用飛機輕度追撞著陸，此時因為機身可能發生變形，會卡住艙門，優化設計導向槽可以將該故障發生概率降到最低。開啟艙門的全過程一般包括解鎖、提升、推開三個環節，艙門提升環節的楣梁結構，建議優先應用鵝頸鉸鏈，沿著既定軌跡分別向內、向上提升艙門。向內運行的作用是艙門可以從止動塊接觸面處轉移，移動軌跡則是依靠艙門導向槽進行控制，滾子沿導向槽軌道進行移動，達到艙門打開/關閉的操作目的。

結合民用飛機艙門導向槽的實際功能，對其進行優化設計之后，準確得知導向槽受力情況，采用有限元分析軟件展開拓撲優化，對導向槽尺寸參數進行調整，綜合對比應力、變形等情況，分析發現導向槽應力分布具有良好的均勻性，剛度、重量也符合導向槽結構要求。導向槽零件和艙門功能要求相符，為今后民用飛機艙門設計提供參考。

5 結束語

綜上所述，民用飛機中的艙門是非常重要的部分，一旦發生危險可以及時組織乘客疏散、離開。那么在艙門開啟/關閉過程中，導向槽起到重要作用。對導向槽進行優化設計，一方面可以在性能上加以優化，另一方面還能夠在選材、功能等其他方面進行完善。對于艙門結構而言可以加強靈活性、安全性，對于民用飛機整體設計而言，有利于優化運行性能，切實加強民用飛機艙門設計水平。