民用飛機(jī)艙門導(dǎo)向槽優(yōu)化設(shè)計(jì)

袁修起

【摘 要】民用飛機(jī)艙門導(dǎo)向槽是艙門開啟或關(guān)閉時(shí)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。在滿足結(jié)構(gòu)功能的條件下，零件的腹板、筋條等細(xì)節(jié)特征的位置分布及幾何尺寸對零件的剛度和重量具有直接的影響。為合理分布腹板、筋條等細(xì)節(jié)特征，本文使用有限元分析軟件HyperMesh和Opti-Struct對導(dǎo)向槽初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果建立了導(dǎo)向槽的幾何模型，并進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算。通過計(jì)算分析，得到了滿足艙門功能要求和試驗(yàn)?zāi)康牡膶?dǎo)向槽結(jié)構(gòu)，為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了參考。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；導(dǎo)向槽

0 引言

在民用飛機(jī)客艙門結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)向槽是艙門打開/關(guān)閉過程中的導(dǎo)向裝置。導(dǎo)向槽安裝在門框的兩側(cè)。在艙門提升過程中，導(dǎo)向軸貼著導(dǎo)向槽的輪廓滾動(dòng)，在密封件的壓力作用下，壓緊導(dǎo)向槽輪廓。導(dǎo)向槽位置示意圖見圖1。

圖1 導(dǎo)向槽位置

導(dǎo)向槽是客艙門中比較典型的一個(gè)零件，對機(jī)構(gòu)的正?？煽窟\(yùn)行非常重要。本文對導(dǎo)向槽的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。在設(shè)計(jì)過程中，采用設(shè)計(jì)和分析相結(jié)合的方法，借助于有限元[1]仿真軟件，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和強(qiáng)度校核，力求通過合理的應(yīng)力分布、恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式及選材，獲得一個(gè)強(qiáng)度、剛度好而又重量輕的導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)。

1 載荷工況

在正常開關(guān)情況下，導(dǎo)向槽受力較小，導(dǎo)向槽強(qiáng)度按空中飛行狀態(tài)的載荷工況進(jìn)行校核。導(dǎo)向槽主要考慮兩種工況下的強(qiáng)度情況：（1）負(fù)壓工況；（2）破損-安全工況。

負(fù)壓工況下，飛機(jī)最大負(fù)壓差為-1.0 psi，考慮1.5倍安全系數(shù)，則座艙與大氣負(fù)壓工況極限載荷為：

負(fù)壓工況下艙門蒙皮所受載荷由導(dǎo)向軸通過導(dǎo)向槽最終傳到門框上，作用在導(dǎo)向槽上的最大負(fù)壓載荷為5990N。

破損-安全工況即假定某止動(dòng)塊破損失效的情況下其它止動(dòng)塊和鄰近的導(dǎo)向槽仍可以承受限制載荷。根據(jù)CCAR25[2]條款要求，破損-安全載荷取正常使用壓差與外部氣動(dòng)載荷組合值的1.15 倍，即：

在單個(gè)止動(dòng)塊破損失效情況下，與其相鄰的導(dǎo)向軸承受最大支反力，此支反力作用在導(dǎo)向槽上。支反力最大值P=9698N，此為導(dǎo)向槽受到的最大正壓載荷。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

導(dǎo)向槽選用材料為Ti-6Al-4V板材，材料彈性模量為116GPa，泊松比為0.31，抗拉強(qiáng)度為 930MPa，屈服強(qiáng)度861MPa?？估瓘?qiáng)度需考慮1.5倍的安全系數(shù)，即為930/1.5=620MPa。采用Altair 公司的Hyper-mesh12.0進(jìn)行建模，用Optistruct求解器進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和靜力分析。

首先對導(dǎo)向槽進(jìn)行初步拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化模型及結(jié)果如圖2所示。優(yōu)化定義：在現(xiàn)有載荷情況下，定義非連接部位為設(shè)計(jì)空間；設(shè)計(jì)空間可拔模；約束：載荷作用點(diǎn)的總位移上限值為0.5mm；目標(biāo)：最小化設(shè)計(jì)空間的體積。

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化后的導(dǎo)向槽模型，建立了導(dǎo)向槽的幾何模型及其有限元分析模型。幾何模型如圖3所示。負(fù)壓工況導(dǎo)向槽計(jì)算結(jié)果如圖4所示，破損-安全工況導(dǎo)向槽計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4中零件從應(yīng)力分布圖來看，單元應(yīng)力最大為458MPa，與材料的許用安全強(qiáng)度620MPa相比，有比較大的安全裕度。最大位移值為0.38mm，出現(xiàn)在載荷作用點(diǎn)處。零件變形比較小，整體剛度好。

圖5中零件在破損安全工況下最大應(yīng)力值是583MPa，小于材料的許用安全強(qiáng)度620MPa，最大位移為0.4mm，出現(xiàn)在載荷作用點(diǎn)處。零件變形比較小，整體剛度好。

在拓?fù)鋬?yōu)化前零件重量是0.258kg，依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果所做的零件重量是0.195kg，減輕63克。和拓?fù)鋬?yōu)化前相比，重量減輕了25%。以上設(shè)計(jì)過程是在拓?fù)鋬?yōu)化基礎(chǔ)上對零件進(jìn)行尺寸優(yōu)化的過程。優(yōu)化后應(yīng)力變化比較均勻，材料利用率比較高。經(jīng)過逐步的設(shè)計(jì)優(yōu)化，得出了比較理想的結(jié)構(gòu)形式。

3 結(jié)論

本文對客艙門導(dǎo)向槽功能進(jìn)行了介紹，給出了導(dǎo)向槽的受力情況。借助于有限元分析軟件，在拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)上通過尺寸優(yōu)化對比分析應(yīng)力和變形情況得到了應(yīng)力分布均勻、剛度好、重量輕的導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)。該零件能夠滿足客艙門的功能要求和試驗(yàn)?zāi)康模梢詾橥愋徒Y(jié)構(gòu)零件的設(shè)計(jì)提供重要指導(dǎo)或參考意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張洪武，關(guān)振群，李云鵬，等.有限元分析與CAE技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社m2004.

[2]中國民航局.CCAR25-R3.中國民用航空規(guī)章第25 部-運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國民用航空局，2001，5.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]