民機艙門開口結(jié)構(gòu)補強設(shè)計分析

李林

摘要：本文分析了民用飛機艙門開口對機身總體受力系統(tǒng)的影響，通過對局部結(jié)構(gòu)的受力分析，采用開口補強結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)相應(yīng)的載荷。

關(guān)鍵詞：半硬殼式結(jié)構(gòu)， “堵塞式”艙門設(shè)計

現(xiàn)代民機的機身是一種加強的殼體，這種殼體通常稱為“半硬殼式結(jié)構(gòu)”。其由縱向元件（如桁梁與長桁）、橫向元件（如隔框）以及外蒙皮構(gòu)成。桁梁承受機身大部分彎矩以及彎矩所引起的軸向力，機身蒙皮承受橫向外載荷與扭矩引起的剪切力以及座艙增壓載荷。

民用飛機必須有人員出入的艙門，這些艙門由于使用需要，通常布置在結(jié)構(gòu)高載荷區(qū)域，開口切斷了半硬殼式機身的總體傳力構(gòu)件，導(dǎo)致開口部位出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中。飛機適航條例要求，在各種情況下用于旅客進(jìn)出的所有艙門要能夠迅速打開，同時保證飛機增壓艙的安全，所以客機艙門多采用從里向外關(guān)閉的“堵塞式”設(shè)計。這種關(guān)閉方式設(shè)計的艙門只承受艙壓引起的環(huán)向張力，而機身上的在開口部位的大部分拉伸和剪切載荷要由艙門周圍結(jié)構(gòu)承擔(dān)。

本文從分析飛機機身開口對機身載荷傳遞的影響，提出如何在開口周圍布置額外的加強結(jié)構(gòu)來承受這些載荷。

1.機身開口對總體受力系統(tǒng)影響分析

根據(jù)機身總體受力系統(tǒng)的傳力狀態(tài)及艙門的關(guān)閉方式來分析開口處重新分布的載荷。先分別考慮每一種情況，然后再把四種情況結(jié)合起來考慮，以便擬定每一構(gòu)件最危險的設(shè)計情況。

情況Ⅰ機身蒙皮剪力—考慮各種飛行條件；

情況Ⅱ截斷長桁載荷—考慮各種飛行條件；

情況Ⅲ縱向和周向拉伸載荷—座艙增壓條件；

情況Ⅳ插塞壓力和門銷座的再分布效應(yīng)。

⑴情況Ⅰ機身蒙皮剪力—考慮各種飛行條件

①沒開口時蒙皮各處剪流設(shè)為q0；

②在開口處施加一大小相等方向相反的剪流，并將剪流增量（帶△的剪流）分配給周圍各板；

③合并①和②剪流，就得到開口區(qū)域?qū)嶋H情況下的剪流分布情況，這時開口處剪流為零。

圖1 開口周圍板最終重新分布的剪流

從上述可得知，如果需要作開口，可以用元件制成梁和框，在開口周圍制成口框結(jié)構(gòu)，由結(jié)構(gòu)自身平衡剪流作用使開口邊緣合力為零。

⑵ 情況Ⅱ截斷長桁載荷—考慮各種飛行條件

這里考慮的是由開口前、后兩邊的斷長桁所引起的蒙皮上的附加剪流。假設(shè)開口四個角無約束，斷長桁的載荷沿開口兩側(cè)向口框梁（上述情況Ⅰ設(shè)定）擴散。

⑶ 情況Ⅲ 縱向和周向拉伸載荷—座艙增壓條件

① 在開口邊緣鋪設(shè)框、梁元件后（情況Ⅰ設(shè)定），客艙增壓時，在開口區(qū)域上、下的環(huán)形張力和前、后的縱向張力會通過開口邊緣的蒙皮以剪流型式分別擴散到邊緣框、梁上去。

②四個角板的剪流

把開口四角看成在組合壓力作用下發(fā)生彎曲，并根據(jù)上、下蒙皮和兩側(cè)蒙皮的相對剛度確定四角板剪流。

⑷ 情況Ⅳ 插塞壓力和門銷座的再分布效應(yīng)

從里向外關(guān)閉的 “堵塞式”艙門設(shè)計，就是要有阻止艙門在座艙壓力作用下向外移動的止動擋塊，使門上載荷通過門銷座分配給前、后邊緣框。由于門銷座與邊緣框有些偏心，因而會在邊緣框上產(chǎn)生偏心力矩。這些偏心力矩可在邊緣框另一側(cè)布置加強肋來平衡。

2. 開口加強結(jié)構(gòu)方案的確定

堵塞式艙門開口通常長寬比大約是l/h<0.6。艙門為側(cè)開式。開口切斷了機身的總體傳力系統(tǒng)，要滿足適航條例關(guān)于這種艙門的設(shè)計要求，機身上的切斷結(jié)構(gòu)的拉伸和剪切載荷就要由艙門周圍結(jié)構(gòu)承擔(dān)。對被破壞的結(jié)構(gòu)按靜強度、耐久性設(shè)計準(zhǔn)則和破損-安全理論對開口周圍進(jìn)行補強設(shè)計。

上述四種重分布的載荷疊加作用，可以得出，由于開口的原因使局部剪流加大，為平衡開口邊緣剪流同時承載加大區(qū)域的剪流，要在開口的上、下，前、后分別布置薄壁組合梁、框，組合梁自開口邊緣前、后延伸段約為開口高度的0.5倍。在開口區(qū)域蒙皮內(nèi)、外側(cè)鋪設(shè)鋁合金加強板。此外，還在開口周邊框上設(shè)置傳遞門上氣密載荷的止動擋塊及加強肋。

由于開口尺寸相對較大，在機身總體受力狀態(tài)下，開口區(qū)域存在撕裂扭力。為平衡扭力同時滿足破損-安全設(shè)計準(zhǔn)則，要把開口加強結(jié)構(gòu)布置成盒式結(jié)構(gòu)。從飛機的總體布置圖可知，在開口邊緣框前、后鄰近處布置有機身隔框，因此可將邊緣框左、右側(cè)的加強肋按斷開的長桁的格局進(jìn)行布置同時連接到鄰近的隔框上，這樣既可將邊緣框與鄰近隔框連接成盒段，同時又替代長桁傳力和支撐蒙皮。在開口區(qū)上、下區(qū)域機身縱向只布置有長桁，由于長桁相對較弱，所以要在相應(yīng)位置截斷長桁，局部加強布置成桁梁結(jié)構(gòu)與邊緣梁及邊緣框組成盒段結(jié)構(gòu)。為保證開口四角在扭力作用下，降低局部剪切應(yīng)力水平同時增強邊緣框、梁抗扭能力，要在邊緣框、梁連接處內(nèi)、外側(cè)布置搭接板，這樣邊緣框、梁及蒙皮、搭接板也組合成盒式結(jié)構(gòu)。這種單框雙梁式設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，傳力路線清晰，同一構(gòu)件避免復(fù)合受力體現(xiàn)了耐久性設(shè)計原則；同時也符合等強度理論原則和破損-安全設(shè)計理論。

按上述分析，對于“堵塞式”艙門開口設(shè)計如下：

4.結(jié)束語

對機身艙門開口的補強設(shè)計，不僅要考慮將斷開的載荷如何再分布傳遞出去，還要兼顧周圍機身結(jié)構(gòu)的總體布局，以及補強結(jié)構(gòu)要選用抗應(yīng)力、耐疲勞材料和零件制造工藝性。此構(gòu)型已得到了某民用飛機相關(guān)部位設(shè)計的實際論證。

參考文獻(xiàn)：

[1]《飛機設(shè)計手冊》總編委會.飛機設(shè)計手冊.第10冊.航空工業(yè) 出版社.2000

[2]牛春勻 實用飛機結(jié)構(gòu)工程設(shè)計.航空工業(yè)出版社.2008.10