空客A320飛機(jī)前后登機(jī)門(mén)框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比分析

李柯楠

【摘 要】本文以空客A320飛機(jī)前后登機(jī)門(mén)框結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)其不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行傳力分析，并使用CATIA分別對(duì)其模擬建模，將模型導(dǎo)入到HyperWorks軟件對(duì)其在1倍氣密載荷條件下，進(jìn)行有限元計(jì)算，并對(duì)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

【關(guān)鍵詞】空客A320飛機(jī)；門(mén)框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；HyperWorks軟件；有限元分析

0 前言

空客A320系列飛機(jī)是歐洲空中客車(chē)工業(yè)公司研制生產(chǎn)的單通道雙發(fā)中短程150座級(jí)客機(jī)，是在役的最成功的單通道雙發(fā)商用飛機(jī)，空中客車(chē)工業(yè)公司由法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和西班牙的宇航公司共同組成，因此A320飛機(jī)前后部段分別由不同的國(guó)家設(shè)計(jì)，由于設(shè)計(jì)理念的不同造成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的差異，雖然前后登機(jī)門(mén)結(jié)構(gòu)相似，但結(jié)構(gòu)布置及細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)存在一定差異，本文將針對(duì)空客A320飛機(jī)前后登機(jī)門(mén)框結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬建模及有限元分析，對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 研究對(duì)象分析

1.1 前后登機(jī)門(mén)門(mén)框結(jié)構(gòu)概述

A320飛機(jī)前后登機(jī)門(mén)門(mén)框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成由門(mén)框前后加強(qiáng)端框及門(mén)框上下梁所組成的“井”字形加強(qiáng)構(gòu)件與加強(qiáng)蒙皮構(gòu)成的典型大開(kāi)口加強(qiáng)形式。門(mén)框結(jié)構(gòu)主要由化銑加強(qiáng)蒙皮、加強(qiáng)墊板、前端框、后端框、上檻梁、下檻梁、縱向加強(qiáng)件組成，如圖1。

1.2 結(jié)構(gòu)差異對(duì)比

A320飛機(jī)前后登機(jī)門(mén)門(mén)框結(jié)構(gòu)差異主要在于門(mén)框及壁板的設(shè)計(jì)：前登機(jī)門(mén)門(mén)框附近采用密框結(jié)構(gòu)，框距較小，門(mén)框端框框高為165mm，對(duì)應(yīng)門(mén)框止動(dòng)塊布置數(shù)量較少但結(jié)構(gòu)較強(qiáng)的機(jī)加成型短梁。后登機(jī)門(mén)門(mén)框?yàn)槠胀蚓啵T(mén)框端框框高120mm，布置與長(zhǎng)桁數(shù)量相當(dāng)?shù)拟k金成型短梁；前登機(jī)門(mén)門(mén)框壁板由加強(qiáng)蒙皮與角部加強(qiáng)墊板組成，加強(qiáng)蒙皮選用8mm厚的2024-T42包鋁板材，采用多臺(tái)階化銑，在登機(jī)門(mén)開(kāi)口角部十字交匯區(qū)增設(shè)內(nèi)加強(qiáng)板，以有效的控制轉(zhuǎn)角處的工作應(yīng)力。后登機(jī)門(mén)門(mén)框加強(qiáng)蒙皮按破損安全止裂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)蒙皮在登機(jī)門(mén)開(kāi)口中間分成前、后兩塊，通過(guò)對(duì)接帶板對(duì)接，蒙皮根據(jù)載荷分布情況采用變厚度多級(jí)化銑成型，以減輕蒙皮上應(yīng)力集中情況。

2 傳力分析及結(jié)構(gòu)差異分析

2.1 傳力分析

前登機(jī)門(mén)門(mén)框處機(jī)身受載主要受載為氣密載荷、自身慣性載荷，其中對(duì)前登機(jī)門(mén)門(mén)框結(jié)構(gòu)影響較大的載荷為氣密載荷。后登機(jī)門(mén)門(mén)框處機(jī)身除承受氣密載荷、自身慣性載荷外，還需傳遞垂尾、平尾所產(chǎn)生的操縱載荷，因此其受載比前登機(jī)門(mén)處的機(jī)身更嚴(yán)重且更為復(fù)雜。

根據(jù)機(jī)身開(kāi)口的傳力特點(diǎn)，開(kāi)口周?chē)Y(jié)構(gòu)需傳遞大量的蒙皮剪力、機(jī)身軸向力、彎矩及扭矩，因此A320飛機(jī)前后登機(jī)門(mén)門(mén)框結(jié)構(gòu)的總體布置均采用了由加強(qiáng)蒙皮、上下檻梁、縱向加強(qiáng)短梁、加強(qiáng)端框及其鄰接框組成的典型的“井”字形開(kāi)口加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式。加強(qiáng)蒙皮傳遞由氣密載荷、飛行載荷、操縱載荷及打斷長(zhǎng)桁所引起的剪流；上下檻梁傳遞機(jī)身軸向力（由梁外緣剪流傳遞）及彎矩（由梁內(nèi)緣剪流傳遞）；加強(qiáng)端框傳遞機(jī)身扭矩；縱向加強(qiáng)短梁、加強(qiáng)端框及其鄰接框組成的盒形結(jié)構(gòu)傳遞止動(dòng)塊上的艙門(mén)載荷。上下檻梁、前后端框應(yīng)盡量靠近開(kāi)口以限制開(kāi)口邊緣蒙皮應(yīng)力水平及變形，由于機(jī)身主要承受氣密載荷產(chǎn)生環(huán)向變形，所以應(yīng)保留環(huán)向前后端框的連續(xù)，蒙皮應(yīng)在開(kāi)口四個(gè)角部應(yīng)力集中的區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)。

2.2 結(jié)構(gòu)差異分析

在門(mén)框加強(qiáng)端框框高、縱向加強(qiáng)短梁、壁板等方面的差異，應(yīng)從機(jī)身前、后段受載的角度分析。

前登機(jī)門(mén)門(mén)框處機(jī)身主要受載為氣密載荷、自身慣性載荷和起落架載荷。自身慣性載荷主要使機(jī)身產(chǎn)生剪力、彎矩和扭矩。起落架載荷又分為垂直載荷、航向載荷和側(cè)向載荷，其中最嚴(yán)重的是垂直載荷，對(duì)機(jī)身產(chǎn)生較大的剪力和彎矩；其次為航向載荷，對(duì)機(jī)身產(chǎn)生軸向力和彎矩；側(cè)向載荷相對(duì)較小，主要使機(jī)身產(chǎn)生扭矩及環(huán)向剪流。其中對(duì)前登機(jī)門(mén)門(mén)框結(jié)構(gòu)影響較大的載荷為氣密載荷。

后登機(jī)門(mén)門(mén)框處機(jī)身除承受氣密載荷、自身慣性載荷外，還需傳遞垂尾、平尾所產(chǎn)生的剪力、彎矩及扭矩，因此其受載比前登機(jī)門(mén)處的機(jī)身更嚴(yán)重且更為復(fù)雜。

載荷情況的不同導(dǎo)致了前、后登機(jī)門(mén)處機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的差異。由于前登機(jī)門(mén)機(jī)身段的彎矩、剪力、扭矩等均較小，此段機(jī)身主要結(jié)構(gòu)為無(wú)長(zhǎng)桁的密框結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式承受彎、扭載荷的能力較差但具有較強(qiáng)的氣密載荷承載能力。而后登機(jī)門(mén)處的彎、扭、剪均較前登機(jī)門(mén)處嚴(yán)重，因此此段機(jī)身采用了連續(xù)長(zhǎng)桁的結(jié)構(gòu)形式，開(kāi)口區(qū)的長(zhǎng)桁一直延伸到前、后端框，這種結(jié)構(gòu)形式承受彎、扭、剪的能力較強(qiáng)。

為了增加抗彎、扭載荷的能力，前登機(jī)門(mén)加強(qiáng)端框框高設(shè)計(jì)為165mm，明顯高于后登機(jī)門(mén)加強(qiáng)端框的120mm。

由于前、后登機(jī)門(mén)的大小相同，其承受的氣密載荷也相同，因此其止動(dòng)接頭的形式及布置也一樣。但因?yàn)榭蚓嗟牟煌斐啥塘旱男问酱嬖诓町悺６塘褐饕糜谥味丝蚋拱?、傳遞接頭的附加彎矩及部分法向力。前登機(jī)門(mén)處框距小，短梁傳遞附加彎矩的力臂短、短梁兩端剪力大，而且前部密框結(jié)構(gòu)框間縱向加強(qiáng)件少，僅有短梁支撐，因此采用了截面較強(qiáng)的機(jī)加件；而后登機(jī)門(mén)處框距為標(biāo)準(zhǔn)框距，短梁的力臂大、短梁兩端剪力小，而框腹板由短梁和長(zhǎng)桁接頭共同支撐，因此采用了較弱的鈑金組合件。

前登機(jī)門(mén)門(mén)框蒙皮分塊較小、開(kāi)口周?chē)穸容^厚，相對(duì)于后登機(jī)門(mén)門(mén)框的分塊蒙皮加墊板的形式具有強(qiáng)度剛度好、應(yīng)力水平低、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，但由于蒙皮零件復(fù)雜程度高、單個(gè)零件周邊協(xié)調(diào)關(guān)系多，在制造、裝配等方面較差，在破損安全方面的性能也較差。

3 有限元分析

3.1 應(yīng)變分析

工況選取1倍氣密載荷，既1ΔP=0.056Mpa。分別對(duì)前后登機(jī)門(mén)門(mén)框結(jié)構(gòu)建有限元模型并細(xì)化網(wǎng)格，有限元分析結(jié)果，在1倍氣密載荷作用下前登機(jī)門(mén)門(mén)框結(jié)構(gòu)各止動(dòng)點(diǎn)最大位移為7.9mm，出現(xiàn)在門(mén)框的第3個(gè)止動(dòng)點(diǎn)上，后登機(jī)門(mén)門(mén)框結(jié)構(gòu)各止動(dòng)點(diǎn)最大位移為2.8mm，出現(xiàn)在門(mén)框的第1個(gè)止動(dòng)點(diǎn)上，如圖2、3。

通過(guò)有限元應(yīng)變分析可以看出，后登機(jī)門(mén)門(mén)框處，由于機(jī)身橫截面為圓形截面，其環(huán)向剛度基本一致，因此在1倍氣密載荷作用下，整個(gè)機(jī)身橫截面變形均勻，最大變形為2.8mm。而前登機(jī)門(mén)框處，雖然門(mén)框構(gòu)件的截面較強(qiáng)，但是由于機(jī)身底部有前起落架艙，機(jī)身截面的環(huán)向剛度變化很大，因此在氣密載荷作用下，門(mén)框兩側(cè)的變形較大，最大變形為7.9mm。對(duì)比結(jié)果，前登機(jī)門(mén)門(mén)框的變形協(xié)調(diào)性不如后登機(jī)門(mén)門(mén)框。

3.2 應(yīng)力分析結(jié)果

通過(guò)有限元分析對(duì)比前后登機(jī)門(mén)門(mén)框的應(yīng)力水平，在1倍氣密載荷作用下，前門(mén)框最大應(yīng)力198.8MPa，位于底部止動(dòng)塊附近的腹板上。上下緣條應(yīng)力在100MPa左右；后登機(jī)門(mén)前框最大應(yīng)力為1153.8MPa，位于與止動(dòng)塊連接的腹板上。上下緣條的應(yīng)力在200MPa以下，如圖4。

4 結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)比分析，前后登機(jī)門(mén)門(mén)框總體布置均采用典型的“井”字形開(kāi)口加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，但是在檻梁縱向件連接、加強(qiáng)短梁布置、蒙皮分塊、蒙皮厚度等細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上存在一定差異，差異是由于前后機(jī)身受載不同、整體結(jié)構(gòu)布置不同、機(jī)身截面及外形不同等原因引起的，對(duì)比前后登機(jī)門(mén)門(mén)框有限元分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)布置的差異導(dǎo)致門(mén)框整體應(yīng)力、應(yīng)變的差異：前登機(jī)門(mén)門(mén)框整體應(yīng)力水平較低，但變形較大，變形協(xié)調(diào)性較差；后登機(jī)門(mén)門(mén)框整體應(yīng)力水平較高，但變形較小，變形協(xié)調(diào)性較好。

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[責(zé)任編輯：張濤]endprint