飛機(jī)艙門密封結(jié)構(gòu)的氣密可靠性研究

劉 偉，劉志群，趙曉博，席寶安，岳珠峰

（西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安710129）

飛機(jī)艙門密封結(jié)構(gòu)的氣密可靠性研究

劉 偉，劉志群，趙曉博，席寶安，岳珠峰

（西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安710129）

采用可靠性思想分析飛機(jī)艙門密封結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能的影響。對(duì)兩種型號(hào)的艙門密封帶進(jìn)行整體規(guī)格的壓縮實(shí)驗(yàn)，擬合成Ogden模型代入有限元計(jì)算獲得門體與門框的二次接觸力的隱式響應(yīng)關(guān)系。將關(guān)門行程、裝配尺寸、擋件尺寸等視為隨機(jī)變量，采用Monte Carlo法對(duì)兩種密封帶的氣密可靠性進(jìn)行比較，得到了密封結(jié)構(gòu)參數(shù)的均值靈敏度和方差靈敏度，對(duì)艙門密封帶選型與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

艙門密封結(jié)構(gòu)；密封帶；氣密可靠性；靈敏度

飛機(jī)艙門的密封是防止艙內(nèi)漏氣或失壓的重要保障［1］，氣密性能與密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。圖1是某型飛機(jī)艙門組合密封結(jié)構(gòu)截面示意圖，它主要由P型密封帶、密封壓條、Z型擋件、門體和門框組成。圖中的d1為門體與門框間隙；d2為擋件縱向距離；d3為Z型擋件橫向尺寸；d4為關(guān)門行程；r為檔件導(dǎo)角半徑。但是，由于制造誤差、安裝同軸度以及使用過程中的磨損等因素，將導(dǎo)致密封結(jié)構(gòu)的實(shí)際位置與設(shè)計(jì)值存在隨機(jī)偏差，這種離散性威脅著艙門的氣密可靠性。

密封帶是一種能夠發(fā)生大變形的高彈性橡膠材料［2］，其壓縮變形特性對(duì)艙門整體的氣密剛度起主導(dǎo)作用，是選型的重要依據(jù)之一。已經(jīng)有很多學(xué)者利用有限元分析方法分析了實(shí)心橡膠圈的壓縮應(yīng)力特性［3－5］，研究對(duì)象涉及指尖密封、O型密封，球型密封等。在密封材料性能、仿真以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能的影響分析方面進(jìn)行了十分有益的嘗試［6－9］。本工作選取目前飛機(jī)艙門中應(yīng)用較為廣泛的P型密封帶組合密封結(jié)構(gòu)，考慮了密封結(jié)構(gòu)參數(shù)的隨機(jī)性，基于密封帶壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)合有限元仿真，采用Monte Carlo法抽樣分析了密封結(jié)構(gòu)氣密可靠性和參數(shù)靈敏度。

圖1 艙門密封結(jié)構(gòu)截面示意圖Fig.1 Constructed profile of aero－port seal structure

1 密封帶壓縮實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)件與實(shí)驗(yàn)方法

艙門密封帶實(shí)驗(yàn)件如圖2所示，其尺寸為660mm×1360mm，內(nèi)徑為10mm，P型截面，硬度值（邵氏）為50。實(shí)驗(yàn)測試的兩種密封帶分別為：①平紋型織物增強(qiáng)，厚度1.5mm；②普通橡膠型（無織物增強(qiáng)），厚度2mm，實(shí)驗(yàn)測試壓縮量均為0～7mm。

圖2 密封帶實(shí)驗(yàn)件實(shí)物圖Fig.2 The test specimen of sealing trip

根據(jù)實(shí)驗(yàn)件的尺寸及加載類型，選用FTS復(fù)雜加載系統(tǒng)1＃動(dòng)作器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（量程：10kN，±60mm）。實(shí)驗(yàn)裝夾示意圖如圖3所示，將密封圈實(shí)驗(yàn)件固定在平板艙門模擬件的卡槽上，平面門體與油缸連接，通過實(shí)驗(yàn)機(jī)作動(dòng)筒的伸縮來控制壓縮量，底部采用配對(duì)的平面門框承壓件來模擬關(guān)門后的門框。作動(dòng)筒加載速率設(shè)置為0.2mm／s，可視為靜態(tài)加載。實(shí)驗(yàn)加載平板艙門壓頭稍大于密封圈，尺寸為700mm×1400mm，為保證平板的加載剛度，平板艙門壓頭材料為45號(hào)鋼，厚度為20mm。實(shí)驗(yàn)前首先對(duì)FTS設(shè)備的測試力進(jìn)行標(biāo)定，以消除夾具重力影響，同時(shí)利用水平儀對(duì)加載夾具進(jìn)行水平校核。

圖3 密封帶壓縮實(shí)驗(yàn)裝夾示意圖Fig.3 The schematic diagram of clamping and loading for compression tests

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中測量并記錄密封帶的壓縮量，每增大1mm記錄對(duì)應(yīng)的加載力值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示?？梢?，壓縮力隨著壓縮量呈非線性上升趨勢，并且在相同變形量下，織物增強(qiáng)型密封帶的壓縮力明顯高于普通橡膠密封帶，具有更大的壓縮比。

圖4 兩種型號(hào)密封帶的載荷－變形實(shí)驗(yàn)測試曲線Fig.4 Experimental compressive force－displacement curves of two type sealing strips

2 確定性分析

2.1 有限元模型

相比飛機(jī)艙門門體、門框和擋件材料（E＝70GPa），密封圈材料的模量很?。‥＝0.0075GPa），密封帶作為大柔度結(jié)構(gòu)直接決定著門體的氣密剛度，需要著重關(guān)注密封帶的變形。因此，將門體、門框、密封壓條和擋件近似為剛體，只考慮密封帶的變形。建立艙門密封結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖5所示，單元類型選擇四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變Herrmann單元，單元總數(shù)為650。

圖5 飛機(jī)艙門密封結(jié)構(gòu)的有限元模型Fig.5 FEM analysis model of aero－port seal structure

飛機(jī)艙門密封帶一般設(shè)計(jì)有小孔，飛行過程中艙內(nèi)壓力能夠通過這些眼孔滲透進(jìn)入密封圈內(nèi)，不但起到了加強(qiáng)密封的作用，還能夠延長密封圈使用壽命。圈內(nèi)氣壓的作用效果可以采用MARC軟件中特有的CAVITY（氣囊空穴模型）單元來模擬。正常飛行條件下，艙內(nèi)保壓恒壓值設(shè)定為0.076MPa。摩擦模型為庫侖模型，硬鋁與橡膠的摩擦因數(shù)取0.25。

2.2 密封帶材料模型

密封圈是橡膠材料，工程上較常采用 Mooney－Rivlin模型，或者Ogden模型來描述該材料特性。利用MSC.Marc軟件中的“Evaluate Material”功能分別采用上述兩種模型對(duì)密封圈壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)Ogden模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合（圖6），在單軸拉壓中，Ogden模型在超大應(yīng)變時(shí)也具有良好的符合性，能夠較好地適應(yīng)非常數(shù)的剪切模量情形和材料的輕微壓縮行為，已被成功地應(yīng)用于密封圈和其他橡膠工業(yè)產(chǎn)品分析。其應(yīng)變能函數(shù)定義為：

式中：W為應(yīng)變能密度分別為3個(gè)主應(yīng)力方向上的伸長率；N一般取3；μk，αk為模型系數(shù)，可以通過擬合實(shí)驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變數(shù)據(jù)得到。

圖6 采用Ogden模型擬合密封圈材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.6 Experimental data fit of Ogden model for seal

2.3 仿真結(jié)果分析

艙門關(guān)閉過程中，密封圈是一個(gè)大變形、大應(yīng)變過程，其有限元網(wǎng)格不斷發(fā)生移動(dòng)、扭曲，尤其是與剛體界面（門框和擋板）相接近的單元經(jīng)常在接觸與非接觸之間變動(dòng)，采用MARC對(duì)接觸區(qū)域的自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分技術(shù)，解決網(wǎng)格畸變問題，可以獲得更為精確的結(jié)果。圖7為采用接觸區(qū)域網(wǎng)格自適應(yīng)加密計(jì)算得到的密封帶截面Cauchy應(yīng)力分布情況，最大應(yīng)力出現(xiàn)在密封圈與擋件的接觸部位，大小約15.5MPa。

密封圈與門框和Z型擋件的單位面積接觸力與關(guān)門行程的關(guān)系如圖8所示。圖中X－frame表示密封帶與門框的X方向接觸力，X－baffle，Y－baffle表示密封帶與檔件的X方向和Y方向的接觸力（X，Y的方向如圖5所示）。由圖8可知，當(dāng)關(guān)門壓縮量達(dá)到1.73mm，密封圈首先與Z型擋件發(fā)生接觸；當(dāng)關(guān)門壓縮量達(dá)到3.95mm時(shí)，密封圈與門框發(fā)生接觸，是二次接觸。在接觸點(diǎn)，接觸力與關(guān)門量是折線關(guān)系（連續(xù)但不可導(dǎo)）。隨著關(guān)門量增大，由于克服摩擦接觸面產(chǎn)生微小滑移，計(jì)算過程中接觸力顯示會(huì)發(fā)生小幅跳動(dòng)，顯然接觸力與艙門密封結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。

圖7 艙門關(guān)閉時(shí)密封圈的Cauchy應(yīng)力及接觸區(qū)域網(wǎng)格重劃分Fig.7 Contacting－remesh and Cauchy stress of sealing strip when the aero－port closed

圖8 單位面積接觸力與關(guān)門行程的關(guān)系Fig.8 The relation between the contact force per area and closing－stroke

3 可靠性分析

3.1 隨機(jī)變量與極限狀態(tài)函數(shù)

由于制造誤差、安裝偏差或者使用過程中門軸等的磨損，均將導(dǎo)致實(shí)際裝配尺寸與設(shè)計(jì)理想值發(fā)生隨機(jī)偏差，使密封圈的壓縮接觸力不能夠達(dá)到密封要求。這里著重評(píng)估上述變量對(duì)艙門密封帶密封性，根據(jù)概率論中心極限定理，一般可認(rèn)為結(jié)構(gòu)尺寸服從3σ（σ為標(biāo)準(zhǔn)差）的均值正態(tài)分布，且相互獨(dú)立。隨機(jī)變量及其分布特征如表1所示。

密封失效是可靠性評(píng)估中的一項(xiàng)重要失效模式。密封帶通過發(fā)生彈性變形填滿相互接觸的門體、門框表面之間的間隙，并維持一定的接觸壓力，從而達(dá)到氣密效果。泄露率是定量評(píng)估艙門密封效果的重要指標(biāo)，泄露經(jīng)常是由于密封壓縮力不足導(dǎo)致的，因此接觸力常常作為密封結(jié)構(gòu)氣密性的評(píng)判指標(biāo)［5，8］，艙門設(shè)計(jì)要求能夠承受3倍設(shè)計(jì)壓差載荷的內(nèi)外壓差，折算到單位接觸面積上的壓縮力要求大于0.25N，因此密封失效的極限狀態(tài)方程gi可以定義為：

表1 隨機(jī)變量及其分布特征Table 1 The parameters of seal structure and distribution characteristics

式中：fi（＊）為門體與門框的二次接觸力，與艙門密封結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)，其隱式響應(yīng)關(guān)系可以通過有限元確定性計(jì)算獲得，i為抽樣次數(shù)。根據(jù)應(yīng)力－強(qiáng)度干涉原理，式（2）小于零時(shí)的次數(shù)與總計(jì)算次數(shù)的比值即為密封結(jié)構(gòu)的失效概率。

3.2 可靠性分析方法及過程

采用Monte Carlo法進(jìn)行可靠性計(jì)算，主要基于以下3點(diǎn)：（1）密封結(jié)構(gòu)計(jì)算涉及接觸問題，其壓縮響應(yīng)具有非線性隱式關(guān)系，對(duì)于隱式極限狀態(tài)方程的可靠性分析，Monte Calro法計(jì)算思路簡單且易于編程實(shí)現(xiàn)；（2）由上述確定性分析可知，密封圈與門框?qū)儆诙谓佑|問題，結(jié)構(gòu)參數(shù)不但決定了接觸力的大小，還決定了能否發(fā)生接觸，不發(fā)生接觸時(shí)接觸力恒為零，因此，密封圈與門框之間接觸力與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系是一個(gè)接觸點(diǎn)位置隨機(jī)變化并且與密封圈與擋件的第一次接觸相關(guān)，會(huì)導(dǎo)致難以擬合合適的響應(yīng)面和計(jì)算收斂性問題［10］；（3）Monte Carlo法的結(jié)果可信度要高于其他方法，常常作為校核其他方法的依據(jù)。本密封圈單次確定性仿真的時(shí)長較短，因此Monte Carlo法的計(jì)算成本仍然在可接受的范圍。

結(jié)合自編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)指定分布的隨機(jī)化處理與抽樣，同時(shí)調(diào)用 Marc軟件進(jìn)行上述確定性計(jì)算，計(jì)算完成后提取密封帶與門體的接觸力進(jìn)行失效統(tǒng)計(jì)并代入可靠度計(jì)算公式和靈敏度公式，獲得艙門密封結(jié)構(gòu)的失效概率和各個(gè)隨機(jī)參數(shù)的靈敏度。分析流程如圖9所示。

圖9 采用Monte Carlo法分析艙門密封結(jié)構(gòu)氣密可靠性流程圖Fig.9 Air－tight reliability analysis process of aero－port seal structure by Monte Carlo method

3.3 可靠性分析結(jié)果

采用Monte Carlo法對(duì)隨機(jī)樣本進(jìn)行抽樣5000次，分別計(jì)算得到兩種密封圈的失效概率對(duì)比，如表2所示，Pr為抽樣計(jì)算獲得的可靠度。兩者敏度分析結(jié)果大致一致，織物增強(qiáng)型密封帶由于較好的壓縮比具有更高的密封可靠度。

表2 兩種密封帶的氣密可靠度及其概率敏度分析結(jié)果Table 2 The reliability，mean value sensitivity and variance sensitivity results for two types sealing strips

織物型密封帶的密封組件主要結(jié)構(gòu)變量的均值靈敏度和方差靈敏度分析結(jié)果如圖10所示，可見合理減小門框間距d1，擋件縱向距離d2和擋件導(dǎo)角半徑r，增大Z型擋件橫向尺寸d3和關(guān)門壓縮量d4，均有助于提高氣密可靠性。這些變量中，d1，d2，d4的均值和r的方差對(duì)失效較為敏感，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)、維修檢驗(yàn)過程中需要嚴(yán)格這些尺寸的檢查。

另外，設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)注意上述隨機(jī)變量對(duì)艙門其他性能的雙面影響，例如：（1）d1太小會(huì)使密封帶被擠出或“碰框磨框”影響關(guān)門便利性和增大磨損；（2）減小d2或增大d4雖然能夠增大接觸應(yīng)力，但是會(huì)直接加重開關(guān)門手柄力度，在保證氣密性的前提下設(shè)計(jì)合適的關(guān)門壓縮率是至關(guān)重要的；（3）增大d3會(huì)減小艙門有效面積，甚至可能會(huì)與開關(guān)門連桿機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉；（4）增大r會(huì)導(dǎo)致密封帶的應(yīng)力集中，削弱其使用壽命。所以設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)在保證密封的基礎(chǔ)上，綜合考慮上述因素和性能指標(biāo)要求，從而制定出合理的設(shè)計(jì)范圍。

圖10 密封結(jié)構(gòu)隨機(jī)變量靈敏度分析結(jié)果（織物型密封帶）Fig.10 The sensitivity results of seal structure parameters（fabric sealing strip）

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)過程中在保證密封可靠性的基礎(chǔ)上，須綜合考慮參數(shù)的兩面性，結(jié)合性能指標(biāo)要求制定合理的設(shè)計(jì)范圍。

（2）織物型密封帶具有更高的壓縮比，比非織物型密封帶具有更高的氣密可靠度，建議優(yōu)先選用。

（3）裝配尺寸（門框間距、擋件縱向間距）和關(guān)門行程量的均值和擋件導(dǎo)角半徑的方差對(duì)失效較為敏感，設(shè)計(jì)和裝配、維修檢驗(yàn)過程中需要嚴(yán)格這些尺寸的檢查。

［1］ 飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第十冊(cè)）［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2003.

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Air－tight Reliability Analysis of Aero－port Seal Structure

LIU Wei，LIU Zhi－qun，ZHAO Xiao－bo，XI Bao－an，YUE Zhu－feng
（School of Mechanics and Civil.＆ Architecture，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China）

The reliability method was applied to analyze the influence of the seal structure parameters on the air－tight performance of aero－port.The Ogden constitutive model was fitted based on compression experimental data of two types of aero－port sealing strip，which was applied to simulate the implicit response of secondary contact force between the door body and door frame by FEM.The seal structure’s parameters such as closing－stroke，assembly dimension，and baffle sizeetcwere treated as random variables，the reliability of the two sealing strips types was compared by Monte Carlo method.The mean value sensitivity and variance sensitivity of above parameters were obtained.The results were helpful for the sealing strip selection and seal structure optimum design.

aero－port seal structure；sealing strip；air－tight reliability；sensitivity

TH114

A

1001－4381（2012）04－0047－05

科工技技術(shù)基礎(chǔ)資助項(xiàng)目（Z142010B001）；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助項(xiàng)目（B07050）

2011－04－06；

2011－11－12

劉偉（1981－），男，博士，講師，主要從事結(jié)構(gòu)疲勞和可靠性方面的研究，聯(lián)系地址：西北工業(yè)大學(xué)長安校區(qū)883信箱（710129），E－mail：lw＿npu＠m(xù)ail.nwpu.edu.cn