民用飛機艙門口框設(shè)計方案分析

閆鐵

摘 要：民用飛機機身的開口設(shè)計是飛機設(shè)計的重要組成部分，艙門開口的補強設(shè)計直接決定著機身設(shè)計的成敗。本文從分析艙門開口周圍結(jié)構(gòu)的功用，根據(jù)使用的材料和工藝的不同，制定不同的艙門開口補強設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：艙門開口；鈑金式設(shè)計；整體機加式設(shè)計

引言

現(xiàn)代民用飛機的機身通常是“半硬殼式結(jié)構(gòu)”設(shè)計。飛機人員出入的艙門由于使用需要，一般布置在結(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。這種設(shè)計方式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)，開口后的補強件不僅會提高設(shè)計成本，還會增加結(jié)構(gòu)重量。采用何種方式的開口補強方案將直接影響后續(xù)機身詳細設(shè)計的成功與否。

本文從分析機身登機門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。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)型式承載不同類型的載荷，提出兩種不同的開口周圍結(jié)構(gòu)加強方案，從載荷傳遞、制造可行性及結(jié)構(gòu)可靠性方面分析兩種方案優(yōu)、缺點，以期對今后民用飛機的設(shè)計有所借鑒。

1 艙門開口周圍結(jié)構(gòu)設(shè)計要求和結(jié)構(gòu)形式

1.1 艙門開口周圍結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

由于使用需求，艙門開口一般布置在機身的重要承載部位，切斷了機身承載剪力的蒙皮和傳遞拉、壓載荷的長桁、機身框，需要在開口區(qū)域增加相應(yīng)的加強件來轉(zhuǎn)換、傳遞機身載荷。通常艙門開口周圍結(jié)構(gòu)骨架要先裝配成組件再與蒙皮、長桁組成壁板，同時由于艙門頻繁的開、關(guān)使用以及飛機每次承載的變化，要周密考慮艙門與艙門口框間的協(xié)調(diào)及相應(yīng)零件的調(diào)整與修理、互換等。艙門口框的設(shè)計必須滿足適航要求和環(huán)境準(zhǔn)則，要充分考慮制造可行性和互換性及協(xié)調(diào)性、設(shè)計更改的要求，要盡量作到結(jié)構(gòu)重量最輕、材料采購及制造成本最低。

1.2 艙門口框結(jié)構(gòu)形式

艙門開口切斷了機身的縱、橫向受力構(gòu)件，導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力急劇升高，開口邊緣應(yīng)力集中。為平衡元件結(jié)構(gòu)應(yīng)力，使其滿足等強度原則，考慮在開口區(qū)域布置墊于蒙皮內(nèi)側(cè)或外側(cè)的鋁合金加強板，在開口的上、下、前、后分別設(shè)置一根薄壁組合梁。此外，在開口周邊設(shè)置傳遞門上氣密載荷的支撐接頭及組合短梁。這樣的加強形式結(jié)構(gòu)簡單，傳力路線清晰，同一構(gòu)件上避免復(fù)合受力，符合耐久性原則。

傳力載荷的路徑越直接，其結(jié)構(gòu)的效率就越高。由于開口區(qū)域載荷的重新分布而引起一些力，要承受這些增加的力需在開口附近增加結(jié)構(gòu)元件。艙門開口區(qū)域有四種重新分布的載荷（機身蒙皮剪切力、截斷桁條載荷、座艙增壓引起的縱向和周向拉伸載荷、門上的座艙增壓力和門銷座的再分布載荷），如何增加結(jié)構(gòu)元件用以承擔(dān)這些再分布載荷，將直接決定艙門口框的設(shè)計形式。

2口框設(shè)計方案一

根據(jù)開口區(qū)域重新分布的載荷，延續(xù)未開口時的結(jié)構(gòu)形式增加板、桿結(jié)構(gòu)元件重新承載再分布載荷。由于開口造成結(jié)構(gòu)局部產(chǎn)生應(yīng)力集中及保證結(jié)構(gòu)安全有效性，對口框區(qū)域劃分為蒙皮類和骨架類結(jié)構(gòu)并按破損-安全原則設(shè)計結(jié)構(gòu)增強元件。

2.1 蒙皮加強設(shè)計

蒙皮類增強元件主要承受開口區(qū)的剪力、張力和開口區(qū)四角的局部彎矩。R、r區(qū)域是疲勞敏感部位，最大應(yīng)力有將圓角區(qū)撕裂趨勢，故圓角邊緣與零件邊緣要近似成45度，圓角尺寸需強度精細分析計算。材料選用抗疲勞開裂性能優(yōu)異的鋁合金2024板材，采用化銑制造工藝。其結(jié)構(gòu)形式如圖1。

2.2 骨架加強設(shè)計

骨架類元件是開口區(qū)最主要加強件和維形件，用于開口區(qū)剪流的轉(zhuǎn)換，補償開口區(qū)橫向、縱向傳力元件的削弱，以及分解來自艙門的載荷。對骨架零件采用板、桿元件組合形式，用于承受局部區(qū)域再分布載荷形成的軸向和剪力偶合。材料選用靜強度性能優(yōu)異的鋁合金7075擠壓型材，采用機加工藝。其結(jié)構(gòu)形式圖2：

口框結(jié)構(gòu)元件采用鈑金件設(shè)計，零件制造工藝簡單，工藝裝備少，采用標(biāo)準(zhǔn)型材協(xié)調(diào)性好，制造成本低，損傷容限特性好。由于零件數(shù)量較多，需要增加裝配工時，組件重量大。

3口框設(shè)計 — 方案二

選用鈑金型式設(shè)計增強元件，結(jié)構(gòu)重量大。有大量的接頭安裝在門框上，這些接頭需要有正確的位置，即使在定位后，裝配過程中，撞擊、劃傷和鉆錯孔的情況也經(jīng)常發(fā)生，且門開口有高風(fēng)險的沖擊損傷。為減輕結(jié)構(gòu)重量，同時滿足結(jié)構(gòu)強度和剛度，可考慮將受力復(fù)雜的緊挨門開口的框和梁采用鈦合金整體加工成形，載荷較小的零件采用復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)方案。這樣的結(jié)構(gòu)零件數(shù)量少，整體性強，易于協(xié)調(diào)，采用這個方案裝配好的門框也易于修理。

3.1 蒙皮加強設(shè)計

機身蒙皮主要承受剪切載荷和機身筒段的彎曲載荷。采用碳纖維增強材料，應(yīng)用纖維自動鋪放工藝（AFP）將蒙皮加強板與連接帶板合體制造，通過不同數(shù)量纖維鋪層的鋪放達到強度要求的口框區(qū)厚度要求，滿足等強度原則，同時也達到減重的目的。

3.2 骨架加強設(shè)計

開口周邊彎、扭載荷較大，采用剛度和強度較好的鈦合金整體機加件，剖面C形，骨架輔助零件由碳纖維RTM法制造，剖面為Z形，并通過剪切角片連接到蒙皮上。肋板由厚的熱塑性板壓制而成，并與門框、輔框以及蒙皮相連。整體骨架結(jié)構(gòu)形式如圖3。

鈦合金框、梁與碳纖維結(jié)構(gòu)件之間采用Z形接頭連接到零件的內(nèi)緣條和腹板上。為更好的維持骨架剛性，框與梁、肋板之間用整體機加的盒式拉伸接頭連接。

口框結(jié)構(gòu)元件采用整體機加件設(shè)計，結(jié)構(gòu)強度、剛度特性好，重量輕，采用碳纖維材料一體成形技術(shù)，零件數(shù)量少，易于工件間協(xié)調(diào)、互換，節(jié)約了零件制造和裝配工時。但是，鈦合金的原材料價格和制造成本都非常高，以及碳纖維材料工藝制造的可行性和零件使用的可靠性，在設(shè)計初期要充分考慮。

4結(jié)論

隨著設(shè)計、制造一體化理念的出現(xiàn)，現(xiàn)代制造工藝的發(fā)展，新材料科學(xué)的應(yīng)用，飛機艙門周圍結(jié)構(gòu)的設(shè)計會根據(jù)應(yīng)用工藝和材料的不同而有不同的方案布局?？傊w機結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案首先要注意原材料和制造工藝的總成本，也要考慮供選方案的重量特性。同時對重要部位要進行損傷容限（例如沖擊特性）和可靠性評估。此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計要具有靈活性和協(xié)調(diào)性，要分析制造可行性。

參考文獻：

[1]牛春勻. 實用飛機結(jié)構(gòu)工程設(shè)計[M]. 航空工業(yè)出版社.2011年3月

[2]牛春勻.實用飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造[M].航空工業(yè)出版社，2010.