基于有限元法的飛機艙門結構仿真技術

張友坡

摘要：文章對典型飛機艙門結構的有限元仿真技術進行了研究，使用MSC.PATRAN軟件建立了典型艙門主承力結構的有限元模型，并用MD.NASTRAN軟件進行了計算。文章包括艙門結構簡介、主結構受力情況分析、模型簡化、載荷和邊界條件的施加、各類計算工況的定義與處理方法、特殊單元的原理與應用等。

關鍵詞：飛機艙門；有限元；結構仿真技術；PATRAN；模型簡化；特殊單元

中圖分類號：TM273 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）07-

1 問題提出

飛機艙門是飛機上的運動功能部件，它的功能、使用壽命、安全性、維修性和可靠性，直接關系到飛機的出勤率和人員及貨物的進出安全。若設計太弱，飛機在高空飛行時，可能發(fā)生艙門的意外打開，將造成壓力艙泄壓，同時，嚴重影響飛行姿態(tài)，改變氣動特性，嚴重時還會造成飛機墜落解體；若設計過強，則會導致結構增重，影響飛機的經(jīng)濟性。因此，先進的結構仿真技術應運而生。運用結構仿真技術，可以準確分析結構每一部位的受力大小，從而對結構進行優(yōu)化設計，既保證了安全性，又減輕了不必要的重量。下面，本文結合一個典型的艙門結構闡述這一技術的應用。

2 艙門結構簡介

如圖1所示，艙門主承力結構分類及功能如下：

（1）一張外蒙皮：用于承受內外壓差載荷，并將載荷傳遞到連接的框、梁上。

（2）鈑金或機加的框：如圖中縱向結構件，承受蒙皮傳來的剪力，也可以承受彎矩，并將載荷傳遞到橫梁上。

（3）輔框：用于安裝機構件，并能在主承力件發(fā)生破損時將載荷分散傳遞。

（4）機加的橫梁：艙門的重要承力件，主要承受彎曲載荷，通過它將載荷傳到擋塊。

（5）上下端的小梁：增加局部剛度，緩解應力梯度變化，承受邊緣蒙皮所受載荷。

（6）框、梁連接角片：將斷開的框緣條連接起來，保持緣條傳力連續(xù)，并將載荷傳遞到梁緣條上。

（7）擋塊：用于承受整個艙門的載荷，通過接觸的機身擋塊傳遞到機身上，實現(xiàn)載荷平衡。

（8）導輪：主要用于導引運動，同時還可以像擋塊那樣承力（視設計要求）。

3 有限元法介紹

有限元法是結構分析的重要手段，沖破了傳統(tǒng)工程梁理論采用平剖面假設的束縛，提高了復雜結構應力分析的精度。建立有限元仿真模型是應力分析的基礎，要獲得接近真實情況的應力分布，必須簡化出好的計算模型。使用有限元仿真技術，可以增加產(chǎn)品和工程的可靠性；在產(chǎn)品的設計階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題；經(jīng)過分析計算，優(yōu)化設計，降低成本；縮短產(chǎn)品投向市場的時間；模擬試驗方案，減少試驗次數(shù)，從而減少試驗經(jīng)費。

3.1 通用簡化原則

在采用有限元素法進行結構分析時十分注重模型簡化、元素類型選擇、元素連接及邊界條件模擬等工作，這就要求把工程概念和有限元技術很好地結合起來。經(jīng)驗表明，有限元建模應遵循的一般準則是：構件的取舍不應改變傳力路線；網(wǎng)格劃分應適應應力梯度的變化，以保證數(shù)值解的收斂；元素的選取能代表結構中相應部位的真實應力狀態(tài)；元素的選取應反映節(jié)點位移的真實（連續(xù)或不連續(xù)）情況；元素的參數(shù)應保證剛度等效；邊界約束的處理應符合結構真實支持狀態(tài)；集中質量的應滿足質量、質心、慣性矩及慣性積的等效要求；載荷的簡化不應跨越主要承力構件。

3.2 特殊單元簡介

在艙門有限元建模過程中大部分單元類型都是常用的，如CROD桿元、CQUAD板元、CTRIA3板元和CBAR梁元等。但是也存在一些特殊結構、特殊的受力形式和特殊的研究目的所必須使用的一些特殊單元，主要有BUSH單元、RBE2單元和RBE3單元等。下面就針對這幾種特殊單元做一簡介。

BUSH單元：在給它賦屬性之前，它只是一些普通的桿（節(jié)點重合，沒有長度），但是通過一系列的屬性參數(shù)定義之后，它就成為了一個聯(lián)結兩個結構的復雜的彈簧-阻尼器系統(tǒng)。BUSH單元有6個不同自由度上的彈簧剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，它可以傳遞6個自由度上的載荷。

RBE2單元：用來描述非常剛硬的結構。作為一個十分簡便的工具，其可將相同的單元剛性地連接在一起。使用RBE2單元時，只能指定一個主節(jié)點。

RBE3單元：RBE3單元在分配載荷（力和力矩）方面是一個強有力的工具，主要應用于載荷施加、不同類型單元之間的連接。在本文建模中，通過RBE3施加載荷，實現(xiàn)了采用在一個點加載，將載荷傳到周圍節(jié)點上的功能。

4 建立艙門有限元模型

4.1 蒙皮

艙門蒙皮簡化成CQUAD板元，具有彎曲屬性，厚度賦實際厚度。此類單元的計算結果可以得到拉力、壓力、剪流等相關數(shù)據(jù)。蒙皮的凸臺減去蒙皮厚度后，承受張力，故簡化成CROD桿元。

4.2 艙門框、梁

艙門框、梁用板桿結構進行簡化。與蒙皮相連的外緣條用于承受蒙皮的剪流，為軸線方向，簡化成CROD桿元，賦緣條的實際面積。腹板簡化成CQUAD板元，厚度取實際厚度，如有開口，則取當量厚度。內緣條（遠離蒙皮的一端）主要承壓，加之框緣條為偏心結構，故簡化為CBAR梁元，賦實際屬性，設置偏心值。同時為了表征內緣條的正應力和軸力，建立一個虛桿元，面積賦0.001。

4.3 艙門擋塊和導輪

在艙門結構中，擋塊和導輪是兩個很重要的部件，擋塊起到了限制門的位置并傳遞載荷的作用。導輪除了起門提升時的導向作用外，基于不同的設計要求，還可以作為破損擋塊來承擔載荷。所有的擋塊和導輪都需要建立一個單獨的局部坐標系來定義其剛度方向。由于擋塊和導輪的剛度相對于相連的邊框（橫梁）非常大，故采用RBE2剛性單元進行模擬，固定6個方向的自由度。艙門擋塊與機身擋塊的接觸，采用BUSH單元進行模擬。在初期設計中，可以采取大剛度以求保守。

4.4 艙門開口

艙門上的開口主要有三處，分別是觀察窗、通風口和手柄盒。手柄盒處有結構件密封，可按正常簡化方法進行建模。對于觀察窗，窗玻璃通過密封設計壓在窗框上，窗框與周圍區(qū)域的蒙皮通過鉚釘相連。這種結構形式的載荷傳遞不直接，只能通過玻璃承受壓差，傳遞給窗框，再傳遞到蒙皮。由于玻璃不能獨立承載，因此需要把玻璃模擬成厚度為0.001的CQUAD虛板元，這些單元的作用是為了承受壓差載荷，用RBE2剛性單元把玻璃邊界上的力傳遞到中間節(jié)點上，再通過RBE3柔性單元把中間節(jié)點上的力傳遞到窗框上，通過這種方式，玻璃上受到的壓差載荷就傳遞到了蒙皮上。RBE2單元和RBE3單元在模型中完全重合，共用中間節(jié)點。該節(jié)點對于RBE2是獨立節(jié)點，對于RBE3是非獨立節(jié)點。

窗框的簡化非常簡單，把整個窗框簡化成若干CROD桿元來進行模擬，桿元的面積取窗框結構的實際截面面積。

通風口受載傳力方式與觀察窗基本相同，故其簡化建模方法與觀察窗相同，也是通過RBE2和RBE3兩個單元把載荷傳遞到蒙皮上。

4.5 艙門密封固定架

艙門密封固定架，下面為蒙皮，二者通過埋頭螺栓相連，增強了蒙皮的承載能力，因此選用蒙皮所用CQUAD單元簡化，厚度取型材的腹板和蒙皮的厚度相加，可以理解為此處為一增厚蒙皮。

4.6 坐標系

艙門有限元建模要用到三類坐標系，分別為總體坐標系，加載、約束坐標系和節(jié)點局部坐標系?？傮w坐標系是最常用的坐標系，為了模型裝配方便，節(jié)點坐標全部選用總體坐標系。加載、約束坐標系是為了加載、約束方便而建立的一類坐標系。由于結構的不同，需要在加載點或約束點建立特定方向或角度的坐標系，以便在不同的方向或角度加載或約束。節(jié)點局部坐標系為了讀取載荷和節(jié)點位移而建立的坐標系，對于艙門，主要考慮在艙門周緣節(jié)點上建立，垂直于蒙皮方向。

4.7 載荷與約束

圖1中所示艙門為半堵塞式艙門，不參與傳遞機身的剪力及彎矩，因而載荷只有機艙內外的壓差載荷，所以只需要施加均布壓差載荷即可。

另外，該類艙門靠擋塊（還有導輪，取決于導輪的設計準則是否允許其在正常飛行中接觸）來限制艙門在飛行中的位置，因此，邊界約束要加在擋塊（及導輪）上。邊界約束主要有兩種類型：一種是不賦初始位移，對要約束的自由度剛性約束；另外一種是把艙門模型裝配到全機有限元模型中，然后進行全機有限元計算。從中讀出每個擋塊的各方向位移，作為初始條件賦到艙門模型上。

4.8 材料

建立材料屬性非常簡單，但要注意必須賦密度屬性，以正確模擬艙門的慣性載荷。

4.9 載荷工況

半堵塞式艙門由于不參與總體受力，相對來說，工況數(shù)量比較少。但是考慮到艙門的特殊性，結構破壞有可能導致災難性后果，因此，艙門載荷工況中相對于其他結構增加了大量的破損工況。

國際上對于飛機艙門的破損工況定義意見還不統(tǒng)一，目前主要有兩種思想：一種是在飛行過程中艙門有一個擋塊破壞（如果導輪設計概念允許其一直接觸的話，也包括導輪），這樣對于每個門來說有多少個擋塊（導輪）就有多少種破損工況；第二種是考慮到加工工藝、裝配誤差以及一些不可預知因素導致的艙門的梁框連接處受力時發(fā)生斷裂，從而導致某一段梁框不能傳遞載荷而造成了結構的一部分失效?；谶@種思想，有多少個連接部位，就會增加多少個破損工況。這種思想導致的直接后果就是艙門重量增加。

為了安全起見，本文采用第二種思想選擇破損工況。

破損工況在有限元中的處理方法：例如對于工況FS-B2-F122，這個工況表示位于2號梁上，1號和2號框之間靠近2號框的位置發(fā)生主結構破壞，可以理解為2號梁在該位置發(fā)生斷裂。在有限元模型中，需要考慮取消此處梁的承載能力，處理方法就是將有限元模型中此處的單元刪去。這些單元包括：1個CBAR單元及1個CROD單元（梁的內緣條），該截面上的3個CQUAD板元（梁腹板）和1個CROD單元（表示梁的外緣條的單元）。需要注意的是，如果此處有表示蒙皮凸臺的CROD單元存在，需要保留該單元。因為定義的結構破損是發(fā)生在梁、框等主結構上的，不發(fā)生在蒙皮上。

對于擋塊（或者導輪）的失效，處理方法類似，即把表示擋塊（導輪）的BUSH單元刪除。如果被刪除的BUSH單元上有飛機總體坐標系Y方向（翼展方向）的剛度時，將該BUSH單元其余方向的剛度移到相鄰的擋塊上。

至此，艙門有限元模型建模完成，如圖2

所示：

5 計算

在有限元模型完成以后，經(jīng)過檢查（注意對BUSH單元、RBE2單元和RBE3單元一定不能進行檢查重復節(jié)點操作，因為三者本身就是用同一位置不同編號的節(jié)點建立的），設定好相關參數(shù)后就可以提交MD.NASTRAN進行計算了。

對于艙門的有限元計算來說，主要有兩種類型：一種是線型計算，使用SOL101求解器：另外一種是非線性計算，使用SOL106求解器。在NASTRAN的算法中，線性計算是基于小變形小應變假設，而SOL106這種計算式基于大變形小應變假設。兩種計算方式采用的理論假設不同，因而適用之處也有區(qū)別，本文采用SOL101求解器。由于本文重點在結構仿真模型建立，因此計算結果此處不再列出。

6 結語

本論文旨在研究用有限元法進行飛機艙門結構進行仿真，完成的主要工作如下：對目前國際上常見艙門的結構特點、構件布置、傳力路線分析、主要結構失效形式等方面進行了深入的研究；對有限元建模中使用的一些特殊單元進行了闡述，對部分單元研究了其原理并結合具體結構舉例加以說明；對艙門主結構中的各類構件的模型簡化進行了詳細的闡述，總結出了一套簡化方法；對目前國際上關于艙門使用載荷工況的不同思想進行了闡述

比較。

參考文獻

[1] 《飛機設計手冊》總編委.飛機設計手冊第9冊：載荷、強度和剛度[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[2] BOMBARDIER INC.BD500 FINITE ELEMENT MODEL GUIDELINES[D].2009.

[3] MSC SOFTWARE Corporation.MD Nastran R3 Quick Reference Guide[M].2008.

[4] 王哲.大型飛機貨艙大門結構和機構設計要求研究[J].航空科學技術，2008，（1）.

（責任編輯：黃銀芳）