民用飛機(jī)半堵塞式艙門細(xì)節(jié)有限元模型

呂國成,陳瑞東,劉可佳,袁強飛,杜芳靜

(1.中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 工程研發(fā)中心，沈陽 1100132.中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計研究院 強度部，上海 201210)

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民用航空與安全工程

民用飛機(jī)半堵塞式艙門細(xì)節(jié)有限元模型

呂國成1,陳瑞東1,劉可佳1,袁強飛2,杜芳靜1

(1.中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 工程研發(fā)中心，沈陽 1100132.中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計研究院 強度部，上海 201210)

半堵塞式艙門有著不傳遞機(jī)身載荷、初始運動向內(nèi)、向外打開不占用機(jī)內(nèi)空間等優(yōu)點，所以半堵塞式艙門在民用飛機(jī)上的應(yīng)用得以普及。半堵塞式艙門主結(jié)構(gòu)的強度分析對于確保艙門的功能性和結(jié)構(gòu)安全性具有重要的意義。以某機(jī)型艙門為例，進(jìn)行半堵塞式艙門細(xì)節(jié)有限元模型的分析和研究。通過將有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，表明所采用的艙門有限元模型的簡化原則是合理、有效的，為同類型艙門的強度分析提供參考和借鑒。

半堵塞式艙門；細(xì)節(jié)有限元模型；簡化原則

飛機(jī)艙門作為民用飛機(jī)的重要組成部分，對飛機(jī)安全有著直接影響，尤其是客艙艙門直接關(guān)系到旅客安全和應(yīng)急逃生[1]。半堵塞式艙門主結(jié)構(gòu)的有限元模型主要包括細(xì)節(jié)有限元模型和整體有限元模型兩種，整體有限元模型主要用來提取艙門內(nèi)部的載荷，不能夠直接提取艙門內(nèi)部的應(yīng)力及位移，然而半堵塞式艙門主結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)除包括強度外，還包括剛度及穩(wěn)定性，并且這些參數(shù)之間是相互關(guān)聯(lián)的[2-6]，所以現(xiàn)有成熟機(jī)型的半堵塞式艙門的有限元模型大部分采用細(xì)節(jié)有限元模型[7-10]。

通過對民用飛機(jī)半堵塞式艙門的研究，給出半堵塞式艙門的細(xì)節(jié)有限元模型簡化方法，對比飛機(jī)登機(jī)門在氣密試驗下的試驗數(shù)據(jù)和有限元分析的應(yīng)力，證明所給定的半堵塞式艙門細(xì)節(jié)有限元模型簡化方法能夠達(dá)到理想的效果。

1 艙門細(xì)節(jié)有限元模型建立

有限元分析對強度人員來說，是一個重要的手段，而模型簡化是關(guān)鍵。要獲得接近真實情況的應(yīng)力分布，必須合理簡化得到優(yōu)質(zhì)的計算模型[11]。典型的半堵塞式艙門如圖1所示，僅具有傳遞氣密載荷并傳遞機(jī)身載荷的特點，且艙門上所承受的氣密載荷首先作用在艙門蒙皮上，再通過蒙皮傳遞到艙門框梁上，進(jìn)而傳遞到艙門止動擋塊上，并最終傳遞到機(jī)身上。通過充分考慮半堵塞式艙門的傳力特點及長期分析、實踐得到的經(jīng)驗，艙門蒙皮在承受氣密時將承受一部分面外載荷，為此艙門蒙皮簡化成shell(殼)元比較合理，通過蒙皮將艙門氣密載荷傳遞到框梁上后，艙門框梁的主要承受面內(nèi)的彎曲載荷，為此艙門的框梁簡化成板桿結(jié)構(gòu)比較合理，同時考慮到框梁外緣條連接到艙門蒙皮上，蒙皮對其有一定的支持作用，內(nèi)緣條沒有支持結(jié)構(gòu)，框梁腹板將承受一部分外面載荷，為此框梁外緣條簡化成桿元、內(nèi)緣簡化成梁元、腹板簡化成shell(殼)元。由于半堵塞式艙門氣密載荷最終通過止動擋塊傳遞，所以需要真實的模擬艙門與機(jī)身的連接，為此將擋塊簡化成RBE2加BUSH元模擬，并將BUSH元上附上真實的剛度。根據(jù)半堵塞式艙門的傳力特點及多年的工程經(jīng)驗，給出半堵塞式艙門的簡化原則：

(1)艙門蒙皮用CQUAD單元建模并簡化成shell(殼)元，shell元厚度為蒙皮的化銑區(qū)厚度；

(2)蒙皮凸臺用CROD單元建模并簡化成rod(桿)元，rod元面積為蒙皮的凸臺減輕蒙皮厚度后換算的面積；

(3)艙門梁框簡化為板桿結(jié)構(gòu)，其中梁框內(nèi)緣簡化成beam(梁)元、外緣簡化成rod(桿)元、腹板簡化成shell(殼)元；

(4)艙門止動擋塊采用RBE2加BUSH元模擬；

(5)艙門導(dǎo)向軸根據(jù)實際結(jié)構(gòu)不同可采用RBE2加BUSH元模擬或采用beam(梁)元模擬；

(6)艙門蒙皮開口處需要建立厚度為0.001的虛板元，這些虛板元的作用是為了補償開口處的壓力損失；

(7)艙門上下邊梁外緣條厚度，需要模擬在靠近邊梁位置的蒙皮上，以使模型更加接近真實情況；

(8)艙門四邊的密封墊支架的厚度真實模擬到細(xì)節(jié)有限元模型中。

圖1 典型半堵塞式艙門示意圖

2 應(yīng)用實例分析

根據(jù)上述簡化原則，建立某飛機(jī)登機(jī)門細(xì)節(jié)有限元模型，如圖2所示。

圖2 飛機(jī)登機(jī)門細(xì)節(jié)有限元模型示意圖

由于半堵塞式艙門只承受增壓載荷，不傳遞機(jī)身載荷，因此在進(jìn)行半堵塞式艙門強度分析時，主要考慮結(jié)構(gòu)完整情況下的純增壓工況、結(jié)構(gòu)完整情況下的飛行工況、結(jié)構(gòu)破損安全情況下的純增壓工況、結(jié)構(gòu)破損安全情況下的破損飛行工況[12]。本文分析中采用的載荷工況是登機(jī)門結(jié)構(gòu)完整情況下的純增壓工況。根據(jù)相關(guān)頂層文件規(guī)定，該飛機(jī)極限增壓載荷值為0.121 4 MPa，將該載荷值施加于登機(jī)門細(xì)節(jié)有限元模型外蒙皮上。

表1給出了登機(jī)門材料屬性和各截面的截面屬性。屬性列表為各部位的大體屬性，一些局部區(qū)域的差別此表中不列出。

有限元模型中，對擋塊的強制位移約束施加在每個擋塊上，且方向基于擋塊的局部坐標(biāo)系，邊界條件約束按下述說明進(jìn)行添加：

表1 登機(jī)門材料和屬性

(1)分別對艙門兩側(cè)所有擋塊建立局部坐標(biāo)系，其中，局部坐標(biāo)的X向為飛機(jī)的逆航向、Y向為止動擋塊上止動銷釘?shù)妮S向、Z向由右手定則確認(rèn)；

(2)約束艙門每個止動擋塊的局部坐標(biāo)系Y向；

(3)約束艙門鉸鏈臂上與機(jī)身相連的兩點的整機(jī)坐標(biāo)系的X向及Z向。計算上述得到飛機(jī)登機(jī)門的細(xì)節(jié)有限元模型，得到艙門的位移云圖如圖3所示，應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖3 飛機(jī)登機(jī)門位移云圖(mm)

圖4 艙門登機(jī)門應(yīng)力云圖(MPa)

2.1 測量點及應(yīng)變片定義

在進(jìn)行飛機(jī)氣密試驗時，登機(jī)門強度通過應(yīng)變片進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，給出5個應(yīng)變測量點，如圖5所示，測量點處應(yīng)變片類型及編號如表2所示。

2.2 艙門細(xì)節(jié)有限元模型數(shù)據(jù)

采用Nastran對艙門有限元模型進(jìn)行有限元分析，輸出艙門應(yīng)力云圖如圖4所示。由有限元分析結(jié)果可知試驗測量點處的應(yīng)力如表3所示。

2.3 艙門試驗數(shù)據(jù)

2.3.1 試驗數(shù)據(jù)提取

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的采集，提取飛機(jī)登機(jī)門結(jié)構(gòu)完整情況下的純增壓工況下的試驗數(shù)據(jù)，登機(jī)門上的測量點及貼片位置如圖4所示，各應(yīng)變片的微應(yīng)變隨著加載百分比的變化值如表4所示。

圖5 登機(jī)門應(yīng)變測量點及貼片位置圖

測量點應(yīng)變片類型應(yīng)變片編號測量點位置測量點1花片101110110211011031101登機(jī)門蒙皮(登機(jī)門橫梁5、6之間)測量點2單片1001103登機(jī)門5號橫梁處外緣條測量點3單片1001104登機(jī)門5號橫梁處內(nèi)框緣測量點4單片1001105登機(jī)門6號橫梁處外緣條測量點5單片1001106登機(jī)門6號橫梁處內(nèi)框緣

2.3.2 試驗數(shù)據(jù)處理

為了與分析數(shù)據(jù)作比較，需要對試驗數(shù)據(jù)做相應(yīng)轉(zhuǎn)換處理。應(yīng)對試驗數(shù)據(jù)中應(yīng)變片輸出的結(jié)果通過關(guān)系式轉(zhuǎn)化為應(yīng)力進(jìn)行對比。通過對試驗數(shù)據(jù)的處理，得到加載至100%時測量點處的應(yīng)力，如表5所示。

表3 試驗測量點處有限元分析應(yīng)力

表4 登機(jī)門上各應(yīng)變片的應(yīng)變值 με

表5 100%加載情況下測量點處的應(yīng)力

2.4 有限元分析數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對比分析

將試驗數(shù)據(jù)和有限元分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。其中，試驗件上的單片換算的應(yīng)力與細(xì)節(jié)有限元模型輸出的最大主應(yīng)力進(jìn)行對比，試驗件上的花片換算的應(yīng)力與細(xì)節(jié)有限元模型輸出的范米塞斯應(yīng)力進(jìn)行對比[13-15]，結(jié)果如表6所示。

從表6中數(shù)據(jù)可以看出：有限元分析數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)誤差相差在10%以內(nèi)，數(shù)據(jù)吻合比較好，且有限元分析數(shù)據(jù)均大于試驗數(shù)據(jù)，滿足強度要求。

表6 對比分析表

3 結(jié)論

通過在半堵塞式艙門上應(yīng)用細(xì)節(jié)有限元法，不但可以提高計算精度，還可以優(yōu)化設(shè)計、模擬試驗方案，減少實驗次數(shù)、減少實驗費用。通過半堵塞式艙門的細(xì)節(jié)有限元分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比可以看出，利用所介紹的半堵塞式艙門主結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)有限元簡化方法得到的結(jié)果與艙門真實受力情況相吻合。因此，本分析方法具有較高的實用性，可以作為一種分析方法應(yīng)用于工程實踐中。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：劉紅江)

The detailed finite element model for semi-plug door of civil aircraft

LV Guo-cheng1,CHEN Rui-dong1,LIU Ke-jia1,YUAN Qiang-fei2,DU Fang-jing1

(1.Research & Development Center,AVIC SAC Commercial Aircraft Company Ltd.,Shenyang 110013,China;2.Stress Department,COMAC Shanghai Aircraft Design & Research Institute,Shanghai 201210,China)

With the advantages of not transferring fuselage load,inverted initial movement and not taking cabin space at open position,semi-plug doors are widely applied in civil aircraft.It is important to analyze the structural strength of the main structure of the semi-plug doors to ensure the function and security.The detailed finite element method is adapted to analyze a certain semi-plug door.The comparison of the calculated results and the test results shows that the simplified principle of finite element is reasonable and effective and it can provide reference for strength analysis of the similar doors.

semi-plug door;detailed finite element model;simplified principle

2014-10-10

呂國成(1986-)，男，遼寧沈陽人，工程師，主要研究方向:飛機(jī)強度設(shè)計，E-mail:lv.guocheng@sacc.com.cn。

2095-1248(2015)02-0080-05

V223+.9

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.02.016