某型飛機(jī)艙門密封結(jié)構(gòu)仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

胡碧陽?曹婷?羅濤

摘 要 為驗(yàn)證增壓狀態(tài)下艙門階差能否滿足設(shè)計(jì)要求，本文通過Hyper Works軟件對艙門進(jìn)行了有限元建模及密封結(jié)構(gòu)仿真分析，根據(jù)仿真分析結(jié)果對艙門初始階差及密封帶初始壓縮量指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證分析，有效地縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。

關(guān)鍵詞 Hyper Works;密封帶;有限元分析

概述

某型飛機(jī)艙門密封系統(tǒng)采用了壓密封的結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)艙門受到增壓載荷時密封帶會壓縮變形，艙門會突出機(jī)身外形形成一定的階差，艙門密封形式及階差示意見圖1。

艙門增壓階差為飛機(jī)總體指標(biāo)要求，階差性能的滿足與密封帶剛度、密封帶初始壓縮量、艙門初始階差等有關(guān)，影響因素眾多，為滿足這一指標(biāo)要求，本文利用Hyper Works軟件建立了有限元模型，對艙門密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析優(yōu)化。

1艙門有限元模型的建立

1.1 建模原則

有限元模型為CATIA模型的1：1比例建模，真實(shí)反映艙門及其周邊結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、外形特征和連接關(guān)系，零件的小孔、圓角、倒角等對仿真計(jì)算精度影響不大的幾何特征進(jìn)行了簡化?？?、梁、長桁、隔板、蒙皮等薄板件采用殼單元，厚板件及實(shí)體機(jī)加件采用六面體單元，鉚釘?shù)冗B接件采用B31單元?；诖私Ｔ瓌t建立的艙門及機(jī)體機(jī)構(gòu)整體有限元模型見圖2[1]。

1.2 密封結(jié)構(gòu)建模

金屬結(jié)構(gòu)建模相對簡單，本文不再詳述。密封帶分析主要是研究密封帶的變形，特別是局部的褶皺等變形，這要求建模時密封帶的單元尺寸較小，而且需要保留的原有的外形特征。因此建模時密封帶單元尺寸為2.0mm，厚度方向保證2層單元，單元為全六面體單元，體網(wǎng)格能更真實(shí)的反映密封帶的變形情況，模型共有92760個單元。艙門與密封帶底部連接在一起。密封結(jié)構(gòu)有限元模型見圖3。

密封帶、門體、門框之間添加接觸來模擬三者之間的相互關(guān)系，密封帶與擋件、密封帶與門體、采用滑動接觸，門框與檔件之間綁定，密封帶內(nèi)壁之間采用自接觸，摩擦系數(shù)為0.35。接觸形式見圖4。

1.3 材料參數(shù)

機(jī)體結(jié)構(gòu)除了密封帶外均為鋁合金材料2A12-T4和2024-T315，在分析過程中簡化為各項(xiàng)同性的線彈性材料如表2所示。

本次分析密封帶采用超彈性材料本構(gòu)3次Ogden進(jìn)行分析，密封帶材料數(shù)據(jù)供應(yīng)商提供。

1.4 載荷工況

本文僅進(jìn)行氣密工況分析，在艙門蒙皮上施加均布載荷，載荷大小0.035Mpa。

2艙門密封結(jié)構(gòu)有限元分析

經(jīng)分析，氣密工況下艙門充壓狀態(tài)階差如圖5所示，從圖中可知，充壓階差航向前側(cè)和航向后較大，上部和下部階差較小，其中航向前側(cè)與上部交匯處階差最大，最下端階差最小，且階差數(shù)據(jù)最小為3.51mm，最大為5.32mm，超出了設(shè)計(jì)要求中的最大階差4mm的要求。

艙門充壓狀態(tài)下密封帶截面圖如圖6所示， 從圖中可知，艙門關(guān)閉充壓狀態(tài)密封帶被完全壓扁，兩側(cè)密封帶內(nèi)壁接觸在一起，兩側(cè)壓縮量最大;航向前側(cè)、上部與航向后側(cè)連接處大部分被壓扁，密封帶內(nèi)壁大部分接觸在一起，壓縮量次之;上部中間及下部中間密封帶內(nèi)壁未接觸在一起，其中下部壓縮量最小[2]。

3艙門密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

3.1 優(yōu)化方案

從上文分析可知，艙門在初始階差（未增壓狀態(tài)）為-2.5mm、密封帶初始壓縮量2.5mm的情況下，艙門在增壓狀態(tài)下的階差不能滿足設(shè)計(jì)要求。因此，在艙艙門密封帶不改變的情況下，可通過改變艙門初始階差及密封帶初始壓縮量參數(shù)來實(shí)現(xiàn)增壓狀態(tài)下艙門階差的改變，以滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)分析計(jì)算，調(diào)整艙門初始階差為-3mm，密封帶壓件增厚1.5mm，將密封帶初始壓縮量為3.5mm。改進(jìn)方案見圖7。

3.2 分析結(jié)果

經(jīng)分析，優(yōu)化后艙門關(guān)閉充壓狀態(tài)階差如圖8所示，從圖8可知，關(guān)門充壓階差最大值為3.88mm。艙門階差凸出門框不大于4mm，且階差均勻穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)束語

本文通過HyperWorks軟件對艙門進(jìn)行了有限元仿真分析，分析結(jié)果表明：

（1）在維持艙門密封帶不改變的情況下，艙門初始階差及密封帶壓縮量參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致艙門在增壓狀態(tài)下不能滿足總體技術(shù)要求;

（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)后，艙門關(guān)閉充壓狀態(tài)階差可滿足總體技術(shù)要求。

（3）借助軟件分析可有效地對產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證分析與模擬人員操作情況，從而避免反復(fù)設(shè)計(jì)、節(jié)約設(shè)計(jì)成本、縮短研發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳定方等.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：12.

[2] 陜西省標(biāo)準(zhǔn)化研究院編.新編中外常用金屬材料手冊[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2012：6.