飛機(jī)艙門密封系統(tǒng)的仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

姚文心，徐鳴遙，袁永平

（沈陽航空航天大學(xué) 民用航空學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

飛機(jī)艙門（簡稱艙門）密封系統(tǒng)對飛機(jī)的整體性能起著至關(guān)重要的作用。目前，飛機(jī)的性能飛速提升，而艙門密封的設(shè)計(jì)仍比較傳統(tǒng)[1-2]，常見的艙門密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。因此，艙門密封的設(shè)計(jì)仍有很大的進(jìn)步空間，需要不斷地創(chuàng)新。隨著密封形式的不斷發(fā)展完善，艙門密封會變得更加安全可靠、更能滿足時代要求[3-5]。近年來，國內(nèi)外一些學(xué)者對艙門密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，期望得到更加安全可靠的艙門密封系統(tǒng)。王楠[6]依據(jù)可靠性原理，對艙門密封裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究，總結(jié)了艙門密封結(jié)構(gòu)參數(shù)對其密封性能的影響。渠濤等[7]研究了在不同條件下，不同截面形狀的艙門密封帶的性能，推薦了不同結(jié)構(gòu)的艙門密封裝置。馬瑩[8]對各種載荷作用下艙門密封結(jié)構(gòu)的位移進(jìn)行了研究。馬超[9]對艙門密封形式及材料進(jìn)行了研究。王增輝[10]對艙門密封帶進(jìn)行了仿真分析，研究了織物材料和艙內(nèi)增壓對艙門密封帶的壓縮應(yīng)力和接觸應(yīng)力的影響。H.YAN等[11]基于多體動力學(xué)和彈性理論，建立了增加摩擦載荷的剛?cè)狍w模型。B.F.GOULARTE等[12]研究了作用在艙門彈性密封件上的壓力。T.ROMING[13]研究了內(nèi)外兩層密封結(jié)構(gòu)及降低兩層密封結(jié)構(gòu)間壓力的減壓裝置。

圖1 艙門密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of sealing system of cabin door

本工作運(yùn)用Abaqus有限元分析軟件和Solidworks三維建模軟件，對艙門密封系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得到其壓縮應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力；利用數(shù)學(xué)主成分分析法對艙門密封系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)和材料兩方面進(jìn)行正交試驗(yàn)，建立試驗(yàn)對照組，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，對比分析艙門密封系統(tǒng)的影響因子對其密封性能的影響程度，并對密封帶進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 三維建模

本工作選取某型號的飛機(jī)前貨艙艙門結(jié)構(gòu)作為研究對象[14]，為在有限元分析中既能節(jié)省迭代計(jì)算時間，又能保證實(shí)際結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變，且對分析結(jié)論不產(chǎn)生較大的偏差，利用Solidworks軟件建立了艙門、密封帶和機(jī)身的三維模型，如圖2所示。

圖2 艙門密封系統(tǒng)的三維模型Fig.2 3D model of sealing system of cabin door

為進(jìn)一步提高分析效率，對艙門密封系統(tǒng)模型進(jìn)行了切片簡化處理。

2 有限元仿真分析

2.1 模型分析

艙門密封系統(tǒng)的有限元模型如圖3所示。其中，艙門和機(jī)身均為結(jié)構(gòu)鋼材料，彈性模量為70 GPa，泊松比為0.29；密封帶截面形狀均一，內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，材料為硅橡膠材料。

圖3 艙門密封系統(tǒng)的有限元模型Fig.3 Finite element model of sealing system of cabin door

在Abaqus軟件中修改模型、定義裝配件及其接觸相互作用、設(shè)置載荷和邊界條件，提交有限元分析結(jié)果。其中，模型劃分網(wǎng)格為C3D8H單元（八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元），具體網(wǎng)格劃分參數(shù)如表1所示[15]。

表1 艙門密封系統(tǒng)的各部件網(wǎng)格劃分參數(shù)Tab.1 Mesh division parameters of components of sealing system of cabin door

2.2 分析結(jié)果

計(jì)算完成后，先點(diǎn)擊作業(yè)按鈕，再點(diǎn)擊提交求解界面的結(jié)果按鈕，進(jìn)入可視化模塊進(jìn)行結(jié)果查看，得到艙門密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖和位移云圖，分別如圖4和5所示。

圖4 艙門密封系統(tǒng)的應(yīng)力云圖Fig.4 Mises nephogram of sealing system of cabin door

圖5 艙門密封系統(tǒng)的位移云圖Fig.5 Displacement nephogram of sealing system of cabin door

3 艙門密封系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

艙門密封帶的結(jié)構(gòu)和材料（包括橡膠材料和增強(qiáng)織物等）是其密封系統(tǒng)的氣密性的主要影響因素，本工作選取艙門密封帶的結(jié)構(gòu)和材料作為研究對象。借鑒國外艙門密封帶的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)（密封帶厚度為0.8～3.0 mm）[13]，本工作取密封帶的厚度為0.8 mm。

3.1 參數(shù)設(shè)置

艙門密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)包括密封帶的截面圓角半徑（因子A）、橡膠材料邵爾A型硬度（因子B）、橡膠材料屬性（因子C）、有無增強(qiáng)織物（因子D）和壓縮位移（因子E）。研究中，在保持艙門密封系統(tǒng)其他參數(shù)不變的情況下，調(diào)節(jié)其中一個參數(shù)，觀察其對艙門密封性能的影響。其中，關(guān)閉艙門所需的力定義為壓縮應(yīng)力，其大小決定了關(guān)門所需推力的大小；艙門密封系統(tǒng)所能承受的最大接觸應(yīng)力決定艙門密封系統(tǒng)的密封效果。艙門密封系統(tǒng)承受的壓縮應(yīng)力越小，關(guān)閉艙門所需推力越小；艙門密封系統(tǒng)承受的最大接觸應(yīng)力越大，艙門密封系統(tǒng)的密封性能越好。

對艙門密封帶的各設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行有限元仿真分析，得到對應(yīng)艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力數(shù)據(jù)，從而得出優(yōu)化結(jié)論。

艙門密封系統(tǒng)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 艙門密封系統(tǒng)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Orthogonal experimental design parameters of sealing system of cabin door

根據(jù)仿真分析結(jié)果，提取密封帶的壓縮位移為0.5～5 mm時的艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力，分析密封帶內(nèi)部增強(qiáng)織物及橡膠材料屬性對艙門密封性能的影響；同時提取密封帶的壓縮位移為5 mm時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力，分析密封帶的截面圓角半徑及橡膠材料邵爾A型硬度對艙門密封性能的影響。

3.2 優(yōu)化方法

改變密封帶的截面圓角半徑和在密封帶內(nèi)層加入一層增強(qiáng)織物，研究密封帶結(jié)構(gòu)對艙門密封性能的影響；選擇35U，55U和75U三種牌號硅橡膠材料，研究密封帶的橡膠材料屬性對艙門密封性能的影響；選取10種邵爾A型硬度的硅橡膠材料，分析密封帶的橡膠材料硬度對艙門密封性能的影響。利用Matlab平臺對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析艙門密封系統(tǒng)的影響因子對艙門密封性能的影響程度，并對艙門密封系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

4 艙門密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響分析

4.1 因子A對艙門密封性能的影響

選擇邵爾A型硬度為70度的35U硅橡膠材料、內(nèi)部有增強(qiáng)織物的密封帶，改變因子A（分別為2.9，3.1，3.3，3.5，3.7和3.9 mm，對應(yīng)試驗(yàn)方案為A1—A6），對密封帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，結(jié)果如表3所示。

表3 因子A對艙門密封性能的影響Tab.3 Influence of factor A on sealing performances of cabin doors MPa

從表3可以看出，因子A為3.5 mm時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力最小，最大接觸應(yīng)力最大，因此因子A為3.5 mm時關(guān)閉艙門最省力，且艙門密封效果最好。

4.2 因子D對艙門密封性能的影響

依據(jù)表2的設(shè)計(jì)參數(shù)，采用縮減有限元仿真模型法，設(shè)置試驗(yàn)組如下：保證因子A（3.5 mm）不變，改變因子C（分別為35U，55U，75U），在內(nèi)部無增強(qiáng)織物時因子與水平的試驗(yàn)組合分別為A4C1D2，A4C2D2，A4C3D2，在內(nèi)部有增強(qiáng)織物時因子與水平的試驗(yàn)組合分別為A4C1D1，A4C2D1，A4C3D1。進(jìn)行有限元仿真分析后，得到各試驗(yàn)組合艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力分別如表4和5所示，利用Matlab平臺對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，各試驗(yàn)組合艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力曲面分別如圖6和7所示。

表4 各試驗(yàn)組合艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力分析結(jié)果Tab.4 Compression stress analysis results of sealing systems of cabin doors for various experimental combinations MPa

表5 各試驗(yàn)組合艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應(yīng)力分析結(jié)果Tab.5 Maximum contact stress analysis results of sealing systems of cabin doors for various experimental combinations MPa

圖6 各試驗(yàn)組合艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力曲面Fig.6 Compression stress surfaces of sealing systems of cabin doors for various experimental combinations

從圖6可以看出：艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力存在兩個曲面，上曲面為密封帶內(nèi)部有增強(qiáng)織物時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力，下曲面為密封帶內(nèi)部無增強(qiáng)織物時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力；與密封帶內(nèi)部無增強(qiáng)織物時艙門密封系統(tǒng)相比，密封帶內(nèi)部有增強(qiáng)織物時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力較大，故密封帶內(nèi)部有增強(qiáng)織物時艙門密封系統(tǒng)的關(guān)門力有所增大；隨著密封帶壓縮位移的增大，上下兩曲面逐漸靠近，呈相合趨勢，故密封帶內(nèi)部是否有增強(qiáng)織物對艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力影響很小，因此密封帶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化時內(nèi)部是否增加增強(qiáng)織物以其最大接觸應(yīng)力結(jié)果為準(zhǔn)。

從圖7可以看出：艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應(yīng)力存在兩個曲面，上曲面為密封帶內(nèi)部有增強(qiáng)織物時艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應(yīng)力，下曲面為密封帶內(nèi)部無增強(qiáng)織物時艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應(yīng)力；與密封帶內(nèi)部無增強(qiáng)織物時艙門密封系統(tǒng)相比，密封帶內(nèi)部有增強(qiáng)織物時艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應(yīng)力明顯增大，使得艙門密封性能有所提升。

圖7 各試驗(yàn)組合艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應(yīng)力曲面Fig.7 Maximum contact stress surfaces of sealing systems of cabin doors for various experimental combinations

密封帶內(nèi)部有增強(qiáng)織物使艙門密封系統(tǒng)所受的壓縮應(yīng)力有所增大，但由于影響較小，可以忽略不計(jì)。與密封帶內(nèi)部無增強(qiáng)織物相比，密封帶內(nèi)部有增強(qiáng)織物對艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應(yīng)力影響較大，艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應(yīng)力明顯增大，密封性能顯著提升，故密封帶應(yīng)采用內(nèi)部有增強(qiáng)織物的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.3 因子C對艙門密封性能的影響

利用Matlab平臺對表4和5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化處理，因子C對艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力的影響分別如圖8和9所示，其中35U＋ZC表示密封帶為35U硅橡膠材料、內(nèi)部有增強(qiáng)織物，其余類同。

圖8 因子C對艙門密封系統(tǒng)壓縮應(yīng)力的影響Fig.8 Influence of factor C on compression stresses of sealing systems of cabin doors

從圖8可以看出：艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力隨著密封帶的壓縮位移的增大而增大；密封帶內(nèi)部有增強(qiáng)織物時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力最大的試驗(yàn)組合為C3D1，最小的試驗(yàn)組合為C1D1，即密封帶內(nèi)部有增強(qiáng)織物并采用35U硅橡膠材料時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力最小。

從圖9可以看出：艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應(yīng)力隨著密封帶的壓縮位移的增大而增大；密封帶內(nèi)部有增強(qiáng)織物時艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應(yīng)力最大的試驗(yàn)組合為C3D1，最小的試驗(yàn)組合為C1D1，即密封帶內(nèi)部有增強(qiáng)織物并采用75U硅橡膠材料時艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應(yīng)力最大。

圖9 因子C對艙門密封系統(tǒng)最大接觸應(yīng)力的影響Fig.9 Influence of factor C on maximum contact stresses of sealing systems of cabin doors

綜上可知，在密封帶內(nèi)部有增強(qiáng)織物并采用35U硅橡膠材料時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力最小，而密封帶內(nèi)部有增強(qiáng)織物并采用75U硅橡膠材料時艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應(yīng)力最大，考慮艙門壓力與密封效果的共同要求，密封帶采用55U硅橡膠材料。

4.4 因子A和B綜合分析

將各因子整合進(jìn)行分析，在密封帶內(nèi)部有增強(qiáng)織物條件下，改變因子A和B對艙門密封系統(tǒng)進(jìn)行有限元仿真分析。因子A和B對艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力曲面和最大接觸應(yīng)力曲面的影響分別如圖10和11所示。

圖10 因子A和B對艙門密封系統(tǒng)壓縮應(yīng)力曲面的影響Fig.10 Influence of A and B factors on compression stress surface of sealing system of cabin door

從圖10可以看出：曲面顏色隨著密封帶的硅橡膠材料邵爾A型硬度的增大而逐漸變淺，代表艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力隨著密封帶的硅橡膠材料邵爾A型硬度的增大而逐漸增大；曲面顏色隨著密封帶的截面圓角半徑的變化而變化不明顯，但密封帶的截面圓角半徑為3.5 mm時曲面顏色最深，代表密封帶的截面圓角半徑為3.5 mm時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力最小。

從圖11可以看出：曲面顏色隨密封帶的硅橡膠材料邵爾A型硬度的增大而逐漸變淺，代表艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應(yīng)力隨著密封帶的硅橡膠材料邵爾A型硬度的增大而逐漸增大；隨著密封帶的截面圓角半徑變化，曲面顏色變化不一，但密封帶的截面圓角半徑為3.5 mm時艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應(yīng)力最大。

圖11 因子A和B對艙門密封系統(tǒng)最大接觸應(yīng)力曲面的影響Fig.11 Influence of A and B factors on maximum contact stress surface of sealing system of cabin door

綜上可知，隨著密封帶的硅橡膠材料邵爾A型硬度的增大，艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力均增大，兼顧艙門密封系統(tǒng)的關(guān)門力和密封效果，本工作選擇密封帶的硅橡膠材料的邵爾A型硬度為50度。在密封帶的截面圓角半徑為3.5 mm時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應(yīng)力最小，最大接觸應(yīng)力最大，故密封帶的最佳截面圓角半徑為3.5 mm。

優(yōu)化后艙門密封系統(tǒng)的三維模型及應(yīng)力云圖分別如圖12和13所示。

圖12 優(yōu)化后艙門密封系統(tǒng)的三維模型Fig.12 3D model of optimized sealing system of cabin door

圖13 優(yōu)化后艙門密封系統(tǒng)的應(yīng)力云圖Fig.13 Mises nephogram of optimized sealing system of cabin door

5 結(jié)論

本工作利用Abaqus軟件對艙門密封系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，運(yùn)用Matlab平臺對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、繪出圖像，分析密封帶的截面圓角半徑、橡膠材料硬度和屬性以及內(nèi)部增強(qiáng)織物對艙門密封性能的影響，結(jié)果得出當(dāng)密封帶的截面圓角半徑為3.5 mm、采用邵爾A型硬度為50度的55U硅橡膠材料、內(nèi)部有增強(qiáng)織物時，艙門密封系統(tǒng)的密封性能最優(yōu)。