艙門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)氣密性優(yōu)化研究

霍文輝

摘 要：飛機(jī)艙門(mén)的密封是阻止機(jī)艙內(nèi)漏氣或者失壓的重要方法和手段，艙門(mén)結(jié)構(gòu)的氣密性優(yōu)劣程度直接影響著飛機(jī)飛行安全。在某種程度上，艙門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與密封設(shè)計(jì)關(guān)系緊密，同時(shí)艙門(mén)密封設(shè)計(jì)已成為飛機(jī)密封設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組成部分，涉及艙門(mén)密封性能的因素有許多，主要有艙門(mén)與門(mén)框結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛性，以及結(jié)構(gòu)密封形式及制造裝配精度等。本文通過(guò)建立有限元模型，分析門(mén)體周?chē)鷦偠绕ヅ鋵?duì)氣密性的影響，并對(duì)選用的艙門(mén)密封組件進(jìn)行氣密對(duì)比試驗(yàn)，研究艙門(mén)氣密優(yōu)化的方法。

關(guān)鍵詞：艙門(mén);密封;剛度;對(duì)比試驗(yàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.003

1 引言

艙門(mén)設(shè)計(jì)是當(dāng)今飛機(jī)設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法及流程，無(wú)論從資金投入還是試驗(yàn)研發(fā)等方面已不能適應(yīng)現(xiàn)代飛機(jī)的設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)，也會(huì)影響飛機(jī)研制的整個(gè)周期及后期使用壽命。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，飛機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)手段和水平也在不斷改進(jìn)及提升。

2 艙門(mén)密封形式

艙門(mén)密封形式按其結(jié)構(gòu)形式及密封原理主要分為充氣管密封、空心管形壓縮密封、腳形壓縮密封、隔膜壓縮密封和包覆填充物壓縮密封等。

2.1 充氣管密封

充氣管密封帶一般由中空的橡膠密封帶、內(nèi)部復(fù)合織物、充氣嘴組成。充氣式橡膠密封帶是利用中空全封閉的腔體充滿氣體，利用氣體產(chǎn)生的膨脹壓力，實(shí)現(xiàn)橡膠面與門(mén)體的接觸密封，密封的斷面為中空的全封閉結(jié)構(gòu)。

充氣管密封的優(yōu)點(diǎn)如下：a）密封性非常好;b）對(duì)艙門(mén)變形的補(bǔ)償性較好;c）手動(dòng)操作的艙門(mén)對(duì)其操作力無(wú)影響;d）充氣管密封件具有一定自我保護(hù)作用。

充氣管密封的缺點(diǎn)如下：a）密封帶成本相對(duì)較高;b）密封帶需要較高的疲勞壽命;c）需要壓縮空氣源及充氣、泄氣控制系統(tǒng);d）破損后氣密性下降極為嚴(yán)重;e）缺陷擴(kuò)散速度非常快;f）需要在艙門(mén)上設(shè)置額外的排水或水密系統(tǒng);g） 關(guān)閉艙門(mén)時(shí)有一定的噪聲及沖擊。

2.2 空心管密封

空心管形壓縮密封帶通常安裝在艙門(mén)四周，當(dāng)艙門(mén)關(guān)閉時(shí)，通過(guò)門(mén)框結(jié)構(gòu)壓縮空心管密封帶，產(chǎn)生一定的壓縮量，達(dá)到氣密、水密要求。一般在空心管密封帶四周開(kāi)有若干通氣孔，當(dāng)艙內(nèi)增壓時(shí)，高壓氣體進(jìn)入空心管密封帶內(nèi)部，進(jìn)一步增大密封帶與門(mén)框結(jié)構(gòu)間的壓縮力，從而提高空心管密封帶氣密性。

空心管形壓縮密封的優(yōu)點(diǎn)如下：a）密封帶成本較低;b）應(yīng)用較為廣泛;c）重量較輕;d）破損對(duì)其氣密性影響較小;e）維護(hù)性好。

空心管形壓縮密封的缺點(diǎn)如下：a）氣密性一般;b）氣密性對(duì)艙門(mén)與門(mén)框剛度依賴性較大;c）對(duì)艙門(mén)的手動(dòng)操作力影響較大。

2.3 腳形壓縮密封

腳形壓縮密封帶通常安裝在艙門(mén)四周，當(dāng)艙門(mén)關(guān)閉時(shí)，通過(guò)門(mén)框結(jié)構(gòu)貼壓腳形密封帶，達(dá)到氣密、水密要求。當(dāng)艙內(nèi)增壓時(shí)，在艙內(nèi)高壓氣體作用下，使密封帶進(jìn)一步壓緊門(mén)框，提高氣密性。

腳形壓縮密封的優(yōu)點(diǎn)如下：a）對(duì)艙門(mén)的手動(dòng)操作力影響較小;b）維護(hù)性好;c）能補(bǔ)償一定量的艙門(mén)變形。

腳形壓縮密封的缺點(diǎn)如下：a）氣密性較差;b）邊緣易損壞;c）邊緣易出現(xiàn)翹起，引起泄漏。

2.4 隔膜壓縮密封

隔膜密封結(jié)構(gòu)通常由兩面包覆織物的橡膠板、固定壓條、擠壓條組成。橡膠板通過(guò)固定壓條安裝于艙門(mén)四周。艙門(mén)關(guān)閉時(shí)，通過(guò)安裝在門(mén)框上的擠壓條緊壓膠板表面達(dá)到水密。當(dāng)艙內(nèi)增壓時(shí)，通過(guò)橡膠板兩側(cè)壓力差，進(jìn)一步壓緊膠板，達(dá)到氣密。

隔膜壓縮密封的優(yōu)點(diǎn)如下：a） 密封帶成本非常低。隔膜密封采用雙面復(fù)合織物的橡膠板制成，無(wú)需額外模具成形，通常采用擠壓工藝，量產(chǎn)率高;b）對(duì)艙門(mén)變形的補(bǔ)償性較好。隔膜密封件通過(guò)膠板兩側(cè)形成的壓差，提高壓緊壓條的密封壓縮力，能補(bǔ)償艙門(mén)變形與門(mén)框變形不匹配帶來(lái)的密封間隙增大問(wèn)題;c） 對(duì)艙門(mén)的手動(dòng)操作力影響較小。當(dāng)艙門(mén)關(guān)閉時(shí)，隔膜密封件對(duì)門(mén)框的壓縮載荷較小，因此對(duì)艙門(mén)手動(dòng)操作力影響較小;d） 能密封較大的間隙。因結(jié)構(gòu)形式限制，艙門(mén)與門(mén)框密封間隙較大時(shí)，采用隔膜密封形式能起到良好密封效果。

隔膜壓縮密封的缺點(diǎn)如下：a） 使用維護(hù)性較差。隔膜密封件通過(guò)固定壓條連接于艙門(mén)四周，安裝時(shí)需采用緊固件連接，還需將密封件繃緊，安裝、更換相對(duì)復(fù)雜;b） 缺陷擴(kuò)散速度非常快。當(dāng)隔膜密封件有較小的缺陷，如意外破損時(shí)，因其內(nèi)部存在高壓氣體作用，使其破損擴(kuò)展速度非?？?c） 沿復(fù)雜曲面安裝復(fù)雜。隔膜密封件安裝時(shí)，需將膠板繃緊，消除褶皺，因此在復(fù)雜曲面上安裝時(shí)非常復(fù)雜;d） 易損壞。當(dāng)艙門(mén)打開(kāi)時(shí)，隔膜密封件的大量表面暴露于艙門(mén)四周，極易產(chǎn)生破損。

2.5 包覆填充物壓縮密封

包覆填充物壓縮密封通常由橡膠皮，發(fā)泡橡膠填充物、固定壓條、擠壓條組成。橡膠皮將發(fā)泡橡膠填充物包覆起來(lái)，并通過(guò)固定壓條安裝于艙門(mén)四周，當(dāng)艙門(mén)關(guān)閉時(shí)，安裝于門(mén)框上的擠壓條壓緊包覆的橡膠填充物，從而達(dá)到氣密、水密的效果。

包覆填充物壓縮密封的優(yōu)點(diǎn)如下：a） 能密封較大的間隙。因結(jié)構(gòu)形式限制，艙門(mén)與門(mén)框密封間隙較大時(shí)，采用包覆填充物壓縮密封形式能起到良好密封效果;b） 對(duì)艙門(mén)的手動(dòng)操作力影響較小。當(dāng)艙門(mén)關(guān)閉時(shí)，密封件對(duì)門(mén)框的壓縮載荷較小，因此對(duì)艙門(mén)手動(dòng)操作力影響較小。

包覆填充物壓縮密封的缺點(diǎn)如下：a） 使用維護(hù)性較差。包覆填充物密封件通過(guò)固定壓條連接與艙門(mén)四周，安裝時(shí)需采用緊固件連接，還需將密封件繃緊，安裝、更換相對(duì)復(fù)雜;b） 沿復(fù)雜曲面安裝難度大。包覆填充物密封件安裝時(shí)，需將膠板繃緊，消除褶皺，因此在復(fù)雜曲面上安裝時(shí)難度較大。

3 艙門(mén)有限元計(jì)算

3.1 有限元模型

建立有限元模型，網(wǎng)格劃分采用HyperMesh模塊完成，主體結(jié)構(gòu)中框、蒙皮、長(zhǎng)桁墊片、密封件及其連接件均離散為殼單元，接頭及厚板件采用六面體單元，標(biāo)準(zhǔn)件（如：螺栓、螺帽、鉚釘?shù)龋┑倪B接則采用1維焊點(diǎn)單元（CWELD）。

3.2 邊界條件

艙門(mén)在關(guān)閉時(shí)，主要考慮結(jié)構(gòu)的剛度及氣密性要求，在此工況載荷下，門(mén)體結(jié)構(gòu)上氣密載荷由梁的拉壓及蒙皮環(huán)向拉伸承擔(dān)，然后通過(guò)梁接頭傳遞到門(mén)體上，并擴(kuò)散至機(jī)身。此外，門(mén)體區(qū)域同時(shí)也承受氣密工況載荷。氣密載荷施加于蒙皮及門(mén)體外蒙皮上，載荷示意圖見(jiàn)圖1。

3.3 變形分析

對(duì)艙門(mén)的結(jié)構(gòu)在氣密工況下的受力進(jìn)行分析。氣密載荷工況下艙門(mén)和門(mén)框的變形云圖，見(jiàn)如圖2。

在圖2中，A、B、C和D分別代表艙門(mén)的頂部、底部、前側(cè)以及后側(cè)位置點(diǎn)，計(jì)算得到艙門(mén)與門(mén)框受載變形的差值，數(shù)據(jù)具體見(jiàn)表1。

3.4 分析結(jié)論

根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，門(mén)體頂部與門(mén)框之間的變形差值較大，門(mén)體底部與門(mén)框之間的變形差值次之，但艙門(mén)底部是通過(guò)密封帶短邊與門(mén)框的干涉起密封作用的，飛機(jī)增壓時(shí)，短邊會(huì)膨脹增長(zhǎng)，有利于對(duì)剛度匹配差值進(jìn)行補(bǔ)償，而且變形后會(huì)與門(mén)框的貼合的更緊，因此密封效果較好。艙門(mén)頂部是通過(guò)密封帶長(zhǎng)邊與門(mén)框的干涉起密封作用的，飛機(jī)增壓時(shí)，由于長(zhǎng)邊剛性弱因此會(huì)變形收縮，進(jìn)而會(huì)減少與門(mén)框的干涉量，對(duì)艙門(mén)密封是不利的，因在頂部與底部的剛度匹配差值較為接近的情況下，艙門(mén)底部氣密帶變形有利于密封，因而底部的密封性能要比頂部好;而艙門(mén)前側(cè)和后側(cè)與門(mén)框之間密封形式與底部相同，都是由密封帶短邊的膨脹變形來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，變形差值最小且兩側(cè)基本相當(dāng)，密封效果也最好。

4 艙門(mén)氣密試驗(yàn)論證

4.1 試驗(yàn)過(guò)程

在艙門(mén)處于完全關(guān)閉狀態(tài)下，將位移傳感器按照測(cè)點(diǎn)位置安裝到位并保證位移傳感器測(cè)量桿與所測(cè)測(cè)點(diǎn)垂直，如圖3所示。

充壓載荷采用分級(jí)充壓：0.00MPa—0.01MPa—0.02MPa—0.03MPa—0.04MPa—0.05MPa—0.06MPa—0.00MPa。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在每級(jí)壓力下記錄位移傳感器讀數(shù)以及觀察艙段整體是否穩(wěn)定，對(duì)艙門(mén)泄漏情況進(jìn)行記錄。沖壓過(guò)程中艙門(mén)各測(cè)量點(diǎn)變形量曲線見(jiàn)圖4，試驗(yàn)過(guò)程中，艙體穩(wěn)定，無(wú)異響，艙門(mén)變形量滿足要求，艙門(mén)的剛度和氣密性均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

通過(guò)有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，利用關(guān)鍵設(shè)計(jì)載荷下的線性靜力學(xué)研究與分析，獲得艙門(mén)在關(guān)鍵設(shè)計(jì)載荷工況下的力學(xué)行為，對(duì)艙門(mén)研制過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，解決了傳統(tǒng)整體仿真模型無(wú)法適用結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，有效減少了研制階段的資金投入及設(shè)計(jì)反復(fù)更改，提高了艙門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體水平，大大縮短了艙門(mén)的研制周期。

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