民用飛機機身門框設(shè)計研究

（上海飛機設(shè)計研究院結(jié)構(gòu)設(shè)計研究部，上海201210）

在民用飛機設(shè)計中，由于適航及功能需要，機身上不同部位布置有一定數(shù)量不同大小、形狀、功能和承載方式的艙門，如登機門、服務門、貨艙門、應急艙門、起落架艙門等，這樣不可避免需要在機身上開口，這些艙門開口通常在機身的重要承載部位[1]。

機身開口后會導致機體結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，從而導致應力集中、參差彎曲等問題，周圍的載荷重新分配，因此需要對艙門開口進行加強，以承受開口周圍的載荷，在艙門開口周邊均布置了門框加強結(jié)構(gòu)[2]。

門框的方案布局除了要考慮門框不同方案的承載特性外，還要考慮艙門開口處機身總體受載特點，尤其是總體彎矩引起的長桁軸力分布特點，以及艙門的特點如艙門的類型、打開方式、連接結(jié)構(gòu)以及艙門的承載情況。此外，還應考慮門框與艙門的剛度匹配問題。

從提高結(jié)構(gòu)的材料利用率，從而減輕重量的角度來看，艙門最好都設(shè)計成能夠傳遞機身總體載荷的受力艙門，但為了滿足適航要求往往做不到這一點。尤其是登機門和應急門，必須設(shè)計成能夠快速方便的打開，一般設(shè)計成不參與機身總體受力形式。民用飛機貨艙門往往沒有快速打開的要求，在滿足適航要求的前提下，可設(shè)計成剪力式艙門結(jié)構(gòu)，參與機身總體剪力的傳遞。

本文介紹了幾種機身開口加強門框的結(jié)構(gòu)形式和特點，并以某型號飛機后登機門框為例，介紹了其結(jié)構(gòu)特點，為民用飛機大開口加強和門框結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定借鑒意義。

1 門框結(jié)構(gòu)形式對比

根據(jù)門框結(jié)構(gòu)方案的不同，一般可分為井字形圍框、雙框井字形圍框、混合型圍框等加強方式。

1.1 井字形圍框結(jié)構(gòu)

井字形圍框結(jié)構(gòu)特點是在開口周邊布置一圈加強構(gòu)件（前、后加強邊框和上、下檻梁），而不再布置其他加強構(gòu)件，典型的井字形圍框結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1井字形圍框結(jié)構(gòu)

傳力分析：

（1）開口引起的附加剪流由開口周圍加強蒙皮傳遞；（2）打斷長桁軸力和蒙皮張力，由蒙皮以剪流形式傳遞到檻梁和邊框上；（3）蒙皮剪流引起的附加彎矩由邊框和鄰接框、檻梁和逐步參與的縱向桁條的反向軸力平衡。

對于本身布置有很多縱向桁條，剛度要求不苛刻，且艙門不參與機身總體載荷傳遞的結(jié)構(gòu)，開口可以采用井字形圍框加強結(jié)構(gòu)。

1.2 雙框井字形圍框結(jié)構(gòu)

雙框井字形圍框結(jié)構(gòu)特點是在井字形圍框的周邊再加一圈桿件加強構(gòu)件（前、后鄰接框和上、下輔助檻梁），形成內(nèi)外兩圈加強結(jié)構(gòu)，典型的雙框井字形圍框結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2雙框井字形圍框結(jié)構(gòu)

傳力分析：

（1）開口引起的附加剪流由開口四邊格子內(nèi)的加強蒙皮傳遞；（2）斷長桁軸力和蒙皮張力由蒙皮以剪流形式傳遞到主檻梁和邊框上；（3）蒙皮剪流引起的附加彎矩由邊框和鄰接框、主檻梁和輔助檻梁的反向軸力平衡（受影響區(qū)蒙皮和長桁的承受正應力按等慣性矩原則折算到檻梁上）。

對于受載情況復雜、結(jié)構(gòu)縱向桁條較少或者剛度要求較為苛刻的結(jié)構(gòu)，開口可采用雙框井字形圍框加強結(jié)構(gòu)。

1.3 混合型圍框結(jié)構(gòu)

混合型圍框結(jié)構(gòu)特點是在井字形圍框的周邊根據(jù)需要在局部加些桿件，形成不封閉的外框，典型的混合型圍框結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3混合型圍框結(jié)構(gòu)

混合型圍框兼具井字形圍框和雙框井字形圍框的傳力特點。對于門框局部受載較大、艙門連接需要布置輔助構(gòu)件等情況，可以采用混合型圍框結(jié)構(gòu)。

三種門框的特點如表1所示。

表1三種門框形式的特點

2 某型號飛機后登機門結(jié)構(gòu)分析

2.1 要求和功能

門框的方案布局不僅要考慮艙門開口處機身總體受載特點，尤其是總體彎矩引起的長桁軸力分布特點，以及艙門的類型、打開方式、連接結(jié)構(gòu)以及艙門的承載情況等，還應考慮門框與艙門的剛度匹配問題。

根據(jù) 25.305條載荷與變形要求及25.783條艙門要求，零部件不應在設(shè)計應力下發(fā)生永久變形，且開口周邊結(jié)構(gòu)（即門框）應具有足夠的剛度以避免因機身變形而將艙門卡死。

通常情況，民用飛機登機門門框結(jié)構(gòu)設(shè)計須完成以下功能和目標：

（1）承受并傳遞飛機使用中的各種機動、著陸、增壓載荷；（2）保證登機門安裝及正常開啟與關(guān)閉；（3）結(jié)構(gòu)可以工作在溫度為－55℃～54.5℃環(huán)境下；（4）結(jié)構(gòu)應能防雨水、冰雹，保證沙塵不侵蝕艙內(nèi)；（5）為各種系統(tǒng)、電器設(shè)備及內(nèi)裝飾提供安裝位置和支持；（6）滿足氣密、防腐蝕密封和排水要求；（7）有足夠的空中和地面維護檢查操作通道等；（8）滿足閃電防護要求。

2.2 后登機門門框結(jié)構(gòu)

后登機門門框結(jié)構(gòu)主要由化銑加強蒙皮、加強墊板、前邊框、后邊框、上主檻梁、上輔助檻梁、下檻梁、縱向加強件組成，這些加強件與前、后鄰接框以及下檻梁下方長桁一起構(gòu)成混合型圍框主傳力結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4后登機門框結(jié)構(gòu)

主要構(gòu)件布置如下：前邊框布置在開口前的框位，后邊緣框布置在開口后的框位，上主檻梁布置在開口上的長桁處，上輔助檻梁布置在主檻梁上2個桁距處，下主檻梁布置在客艙地板平面與機身壁板交線處，為客艙地板邊梁的一部分，以綜合利用結(jié)構(gòu)，減輕重量；縱向加強隔板沿登機門觸點給定平面布置；加強墊板布置在蒙皮開口四角的內(nèi)表面。上、下檻梁自蒙皮開口邊緣向前、后延伸至鄰接框，約0.5倍開口寬度；前、后邊框自開口邊緣向上、下延伸至蒙皮搭接處。前、后邊框和上、下檻梁盡量靠近蒙皮開口邊緣，主傳力構(gòu)件邊框保持完整，檻梁在邊框處分段。

門框的“井”字形加強構(gòu)件，縱向布置為2根加強的組合上縱梁、2根加強的組合下縱梁，前、后邊框，縱、橫向加強件構(gòu)成的“井”字形圍框，對限制開口的變形提供充分的剛度支持。按門的懸掛支點、止動件、鎖槽的相關(guān)位置，布置六根縱向加強件。為加強門框結(jié)構(gòu)的剛度，降低十字交匯區(qū)域的應力，前后兩端框、縱向加強件和上下縱梁蒙皮均保持有相當?shù)暮穸?，在?nèi)側(cè)也設(shè)置有一定厚度的加強連接板。

2.2.1 蒙皮和加強墊板

蒙皮范圍在分成前、后兩塊，通過對接帶板連接。蒙皮根據(jù)載荷分布情況采用變厚度多級機加。在蒙皮搭接處帶有鈦合金止裂帶及鋁合金楔形墊片。蒙皮開口四角是DFR（細節(jié)疲勞額定值）較高部位，故在四角處有較大范圍的加厚，并且在內(nèi)表面加了一層加強墊板。

2.2.2 邊框

邊框采用鋁合金厚板機加，“［”型剖面，前邊框向前彎，后邊框向后彎，中間布置有加強筋與縱向加強件連接，邊框上布置了密封擋塊和止動件。

2.2.3 上檻梁

上檻梁處需安裝艙門導向機構(gòu)支座，為保證艙門的正常開啟，確保登機門門框的功能，上檻梁由上主檻梁、上輔助檻梁、蒙皮及上蓋板組合成盒形梁，以提供較大的剛度支持，保證變形要求。上主檻梁由門楣和延伸段構(gòu)成，上輔助檻梁分為3段。

2.2.4 下檻梁

下主檻梁位于地板長桁，由三段組成：門檻和前、后兩塊剪切板。門檻采用鋁合金厚板機加而成，將開口區(qū)域的地板長桁、客艙地板邊界梁、剪切板組合成一個盒形零件。前、后剪切板連接地板長桁和客艙地板邊界梁，為鋁合金板材。

2.2.5 縱向加強件

為平衡艙門傳遞給邊框的壓差載荷，在邊框處布置有縱向加強隔板，以提高艙門剛度。根據(jù)登機門止動點位置布置縱向加強件，盡量使其與長桁軸線重合?？v向加強件布置在邊框與鄰接框之間，為鋁合金板材。

2.2.6 與艙門的連接

后登機門通過鉸鏈支臂連接在邊框上的兩個鉸鏈接頭上，止動接頭的布置與長桁的布置盡可能相對應，以便通過長桁傳遞止動接頭的載荷,剪切載荷通過縱向加強件傳遞。

2.2.7 防腐和氣密

為防止雨水滲入登機門內(nèi)，在后登機門開口上方布置有排水槽，防止雨水滲入造成結(jié)構(gòu)腐蝕，提高機體使用壽命。在艙門開口下方蒙皮外表面安裝合金鋼防磨板，防止蒙皮及下主檻梁被磨損，保護主要構(gòu)件。防磨板拆裝簡單維修方便。

機身門框與登機門之間的氣密是由連接在門框周邊的密封擋件和登機門上的充氣式橡膠密封件壓緊配合實現(xiàn)的，與上下檻梁和邊框相連。

3 結(jié)束語

民用飛機機身開口加強門框設(shè)計是飛機設(shè)計的難點之一，本文首先對比分析了幾種機身開口加強門框結(jié)構(gòu)特點、傳力分析等，并以某型號飛機后登機門框為例，詳細分析了其結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，對民用飛機門框結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定參考依據(jù)和借鑒意義。

[1]牛春勻.實用飛機結(jié)構(gòu)工程設(shè)計[M].程小全，譯.北京：航空工業(yè)出版社，2005.

[2]《飛機設(shè)計手冊》總編委會.飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，1997.