艙門密封件接觸行為仿真分析

徐錦錦

【摘 要】現(xiàn)代飛機(jī)普遍采用氣密艙設(shè)計(jì)。對于增壓區(qū)艙門，普遍采用密封件密封。密封件的設(shè)計(jì)既要保證艙門關(guān)閉時(shí)氣密性良好，又要保證艙門開關(guān)過程中受力合理。密封件過度的擠壓變形易產(chǎn)生過大的接觸力和摩擦力，導(dǎo)致開關(guān)門手柄力過大。為了分析密封件接觸行為問題，基于非線性不可壓縮Mooney-Rivlin本構(gòu)理論，建立了艙門典型密封結(jié)構(gòu)有限元模型，計(jì)算了在艙門開閉過程中此密封件的變形狀態(tài)、接觸力分布和摩擦力。結(jié)果表明：艙門關(guān)閉情況下，此密封件平均法向接觸力約為1160N/m，密封件擠壓產(chǎn)生的摩擦力約為348N/m。

【關(guān)鍵詞】艙門密封；有限元；接觸行為

中圖分類號： V423.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0202-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.093

【Abstract】Modern aircraft generally adopts airtight cabin design.Seals are commonly used for doors in pressurized area.The design of the seal must ensure that the airtightness of the doors is closed and the force of the doors in the process of opening and closing is reasonable.Excessive squeezing deformation of the seal may easily generate excessive contact force and friction force，resulting in excessive force of the door handle.In order to analyze the contact behavior of the seals，based on the nonlinear incompressible Mooney-Rivlin constitutive theory，a finite element model of the typical seal structure of the door was established.The deformation state，contact force distribution and friction force of the seal during the opening and closing of the door were calculated.The results show that when the door closes in the cabin，the average normal contact force of the seal is approximately 1160N/m，and the friction generated by the seal extrusion is approximately 348N/m.

【Key words】Door Seals；Finite Element；Contact Behavior

0 引言

飛機(jī)氣密艙設(shè)計(jì)可以保證客艙壓力處于安全狀態(tài)，同時(shí)隔絕灰塵、水等進(jìn)入客艙[1]。艙門開關(guān)過程中，密封件應(yīng)配合艙門運(yùn)動軌跡，在艙門完全關(guān)閉狀態(tài)時(shí)達(dá)到相應(yīng)壓縮量，保證氣密性能。同時(shí)密封件擠壓變形，產(chǎn)生接觸力和摩擦力，增加了艙門的手柄力。因此設(shè)計(jì)高效合理的密封件形式，是氣密艙門設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

密封件由橡膠和表面織物組成，材料屬性復(fù)雜，應(yīng)力-應(yīng)變高度非線性，力學(xué)性能復(fù)雜，因此采用有限元計(jì)算方法，分析密封結(jié)構(gòu)接觸行為。

1 艙門密封件密封形式

密封結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于飛機(jī)上的各類艙門及口蓋。由于其工作環(huán)境各異，密封形式也各不相同。飛機(jī)結(jié)構(gòu)密封主要有密封件密封、密封膠密封、機(jī)械密封[2]。

艙門開口較大，開閉頻繁，運(yùn)動形態(tài)復(fù)雜多變，氣密性要求高，需要適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高的密封結(jié)構(gòu)，通常采用密封件密封。

密封件截面形狀各異，主要有管狀、扁平狀和爪型。本文選取一種典型的艙門管狀密封件進(jìn)行分析。

2 密封件有限元模型建立

1）建模的基本假設(shè)

（1）密封件主要材料為橡膠，作為超彈性材料，應(yīng)力-應(yīng)變行為高度非線性。橡膠泊松比接近于0.5，本文中均作為不可壓縮材料。

（2）艙門密封結(jié)構(gòu)中的密封壓條材料是硬鋁，彈性模量是70000MPa，而密封件為橡膠材料，彈性模量僅為7.5MPa，分析中著重考慮密封件的變形。

2）密封件材料模型

橡膠作為超彈性材料，一般選用Mooney-Rivlin 材料模型來描述橡膠密封件的本構(gòu)關(guān)系[3]。

在理想不可壓縮、恒溫的條件下，假設(shè)橡膠各向同性且拉壓性質(zhì)相同，Rivlin改進(jìn)后的本構(gòu)模型為：

同時(shí)密封件表面有聚酯纖維織物布，在模型中抽取密封件表面，賦予織物材料數(shù)據(jù)。

3）邊界條件與加載方式

密封件與密封壓條的接觸面、接觸力隨壓縮量增加而不斷變化，分別定義結(jié)構(gòu)之間接觸，硬鋁與密封件的摩擦因數(shù)取0.3。

門開啟初段行程和關(guān)閉末端行程是密封件作用的關(guān)鍵階段。密封件運(yùn)動軌跡模擬艙門開閉的運(yùn)動軌跡。

由此建立此艙門密封結(jié)構(gòu)有限元模型。

3 密封件接觸有限元仿真結(jié)果分析

完成仿真計(jì)算，得到艙門關(guān)閉后密封件的變形及接觸力分布情況，如圖1所示。

單位密封件網(wǎng)格上的接觸力最大為19.2N。經(jīng)計(jì)算，密封件平均法向接觸力約為：1160N/m，則單位長度密封件擠壓產(chǎn)生的摩擦力約為：348N/m。

4 結(jié)論

本文針對艙門典型管狀密封結(jié)構(gòu)，建立密封件接觸有限元模型，分析艙門開關(guān)過程中，密封件的位移場、接觸力分布，計(jì)算密封件在艙門關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的摩擦力，為后續(xù)艙門密封設(shè)計(jì)提供依據(jù)。主要結(jié)論如下：艙門關(guān)閉情況下，此密封件平均法向接觸力約為1160N/m，密封件擠壓產(chǎn)生的摩擦力約為348N/m。

【參考文獻(xiàn)】

[1]飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊總編委會.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊[G].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[2]王哲.飛機(jī)結(jié)構(gòu)密封與失效修理[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2014（3）.

[3]Boyce M C，Arrud a E M.Constitutive models of rubber elasticity：a review[J].Rubber Chemistry and Technology，2000，73（3）：504-523.