民用飛機(jī)艙門(mén)導(dǎo)向槽優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

陳明松

中航西飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 陜西 西安 710089

引言

民用飛機(jī)艙門(mén)導(dǎo)向槽是在開(kāi)啟/關(guān)閉艙門(mén)時(shí)所必需的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，保證該導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和機(jī)構(gòu)功能相符基礎(chǔ)上，零件腹板與筋條等一些比較細(xì)節(jié)的位置，實(shí)際分布情況和尺寸數(shù)值等，都會(huì)影響到零件剛度、重量。為了保證艙門(mén)導(dǎo)向槽功能與作用的正確體現(xiàn)，必須做好優(yōu)化設(shè)計(jì)，一般應(yīng)用有限元分析軟件展開(kāi)拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)導(dǎo)向槽初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，計(jì)算實(shí)際強(qiáng)度。計(jì)算所得結(jié)果便可作為滿(mǎn)足艙門(mén)功能要求的最佳結(jié)構(gòu)數(shù)值，也為之后其他零件、產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供支持。

1 民用飛機(jī)艙門(mén)導(dǎo)向槽設(shè)計(jì)基本要求

民用飛機(jī)客艙門(mén)結(jié)構(gòu)中包括導(dǎo)向槽這一部分，是開(kāi)啟/關(guān)閉艙門(mén)的導(dǎo)向裝置。艙門(mén)兩側(cè)位置安裝導(dǎo)向槽，提升艙門(mén)時(shí)導(dǎo)向軸緊貼導(dǎo)向槽滑動(dòng)，同時(shí)密封件受到壓力，將導(dǎo)向槽輪廓壓緊。作為艙門(mén)結(jié)構(gòu)中最為經(jīng)典的零件，最關(guān)鍵的作用是維持艙門(mén)穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)導(dǎo)向槽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須要保證設(shè)計(jì)、分析同步進(jìn)行，采用有限元仿真軟件，展開(kāi)拓?fù)鋬?yōu)化、強(qiáng)度校對(duì)，保證應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)選材與形式等的合理性，加強(qiáng)導(dǎo)向槽剛度與強(qiáng)度[1]。

當(dāng)艙門(mén)處于常規(guī)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，此時(shí)受力不大，運(yùn)行強(qiáng)度根據(jù)民用飛機(jī)空中飛行狀態(tài)載荷工況可以展開(kāi)校對(duì)。通常需要對(duì)以下負(fù)壓、破損－安全兩種工況下的導(dǎo)向槽強(qiáng)度進(jìn)行分析。如果處于負(fù)壓工況，那么民用飛機(jī)最大負(fù)壓差是-1.0psi，假設(shè)安全系數(shù)為1.5倍，座艙、大氣負(fù)壓工況極限載荷可以按照公式1.5×（-1.0psi）計(jì)算，得出最終結(jié)果為-1.5psi，換算之后結(jié)果是-0.01034MPa[2]。處在負(fù)壓工況下，艙門(mén)蒙皮承受載荷，一般從導(dǎo)向軸向?qū)虿圻M(jìn)行傳遞，最終傳遞至門(mén)框，得出導(dǎo)向槽最大負(fù)壓載荷。處于破損－安全工況時(shí)，如果任意止動(dòng)塊破損，附近導(dǎo)向槽依然能夠承受限制載荷。按照規(guī)定破損－安全載荷取值，以常規(guī)使用狀態(tài)下的壓差、外部氣動(dòng)載荷組合值1.15倍為準(zhǔn)[3]。一旦其中一個(gè)止動(dòng)塊因破損失效，鄰近導(dǎo)向軸可以承受的最大支反力便會(huì)在導(dǎo)向槽發(fā)生作用，根據(jù)支反力最大值可得出導(dǎo)向槽承受最大正壓載荷。

2 民用飛機(jī)艙門(mén)導(dǎo)向槽優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

2.1 設(shè)計(jì)思路

以免滾子移動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)中止運(yùn)行的現(xiàn)象，導(dǎo)向槽內(nèi)表面、滾子必須始終控制間距，確保滾子始終單邊接觸槽軌道。平均壓力平面是止動(dòng)塊連線，躲避止動(dòng)塊時(shí)導(dǎo)向槽提升曲線、平均壓力平面之間必須要控制好角度。

民用飛機(jī)艙門(mén)在優(yōu)化設(shè)計(jì)階段，需要保證互換性，安裝導(dǎo)向槽也要具有可調(diào)節(jié)的功能。所以，導(dǎo)向槽無(wú)須直接與艙門(mén)框連接，可以在下表面設(shè)計(jì)鋸齒面，該鋸齒面為雙方向齒形，和艙門(mén)框齒形板搭配應(yīng)用。螺栓穿過(guò)齒形板、導(dǎo)向槽，在艙門(mén)框上預(yù)固定，對(duì)于齒形板與艙門(mén)框而言，是環(huán)向相對(duì)位置的約束條件[4]。艙門(mén)協(xié)調(diào)安裝階段，利用導(dǎo)向槽、齒形板中間鋸齒嚙合，能夠在齒形方向?qū)?dǎo)向槽進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至導(dǎo)向槽與界面配合規(guī)定相符，最后緊固螺栓即可。齒形板上方導(dǎo)向槽根據(jù)鋸齒齒距調(diào)節(jié)，為了控制調(diào)節(jié)量，導(dǎo)向槽、齒形板、主框三者之間采用螺栓連接，螺栓連接孔直徑要大于螺栓直徑，建議開(kāi)方孔、長(zhǎng)圓孔和圓孔。如果選擇開(kāi)圓孔，需要搭配應(yīng)用橢圓槽墊圈，不僅調(diào)節(jié)導(dǎo)向槽更加便捷，還符合導(dǎo)向槽優(yōu)化設(shè)計(jì)、安裝基本要求。

2.2 選材與參數(shù)設(shè)定

導(dǎo)向槽選材環(huán)節(jié)，優(yōu)先使用Ti-6Al-V板材，所有材料彈性模量控制在116GPa，抗拉強(qiáng)度是930MPa，泊松比設(shè)定為0.31，屈服強(qiáng)度是961MPa。其中抗拉強(qiáng)度的設(shè)置，還需要綜合分析1.5倍安全系數(shù)，按照930/1.5的公式計(jì)算，得出最終抗拉強(qiáng)度為620MPa。創(chuàng)建模型建議采用Hypermesh軟件，拓?fù)鋬?yōu)化與靜力分析則可以運(yùn)用Optistruct求解器。

2.3 建模與分析

導(dǎo)向槽初步拓?fù)鋬?yōu)化、建模，需要以現(xiàn)有載荷為依據(jù)，對(duì)非連接部位進(jìn)行定位，設(shè)定成為設(shè)計(jì)空間。該設(shè)計(jì)空間要具有可拔模功能。約束條件的設(shè)置，載荷作用點(diǎn)總位移上限值設(shè)定0.5mm，將目標(biāo)設(shè)置為最小化空間體積。按照拓?fù)鋬?yōu)化之后得到的導(dǎo)向槽模型，可以進(jìn)一步創(chuàng)建導(dǎo)向槽幾何模型、有限元分析模型，再分別負(fù)壓工況和破損－安全工況下的導(dǎo)向槽結(jié)果[5]。

3 民用飛機(jī)艙門(mén)導(dǎo)向槽設(shè)計(jì)建議

3.1 制造與安裝

民用飛機(jī)艙門(mén)的導(dǎo)向槽和其他零件的連接，主要利用緊固件，安裝緊固件時(shí)，導(dǎo)向槽、齒形板等之間的組合孔必須達(dá)到規(guī)定孔位精度?？蜃鳛殛P(guān)鍵安裝件，導(dǎo)向槽、齒形板孔形位公差，一般是將框上孔作為標(biāo)準(zhǔn)?？蜻B接多個(gè)零件，主框零件分布十分緊湊，應(yīng)用定位器有利于降低安裝難度，還可以節(jié)省安裝所需空間。定位器凸頭部位和框上孔利用干涉、過(guò)渡的方式進(jìn)行固定，框的另外一側(cè)螺栓可直接穿過(guò)導(dǎo)向槽、齒形板，定位器卡緊裝置固定螺栓，如果后期需要更換零件，可以將螺栓取出[6]。

從理論層面分析導(dǎo)向槽孔徑，一般理解為螺栓直徑與調(diào)整量相加，孔尺寸的精度符合要求即可，關(guān)鍵的一點(diǎn)是孔群相對(duì)位置必須要保證精度。組合位置度公差約束和基準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)、平移相比，前者可能會(huì)對(duì)整體位置帶來(lái)限制。導(dǎo)向槽組合孔必須達(dá)到位置度規(guī)定，使用緊固件將齒形板、框進(jìn)行連接，也務(wù)必符合螺栓孔相應(yīng)的基準(zhǔn)位置關(guān)系。所有零件的相同的孔、公差規(guī)范性，建議在裝配現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行直接配鉆，零件加工環(huán)節(jié)框鉆終孔，而齒形板則鉆初孔，到配鉆環(huán)節(jié)必須將框上孔作為參考的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 齒形公差分配

導(dǎo)向槽與齒形板鋸齒一般以60°螺紋為主，采用滾齒加工工藝。如果零件鋸齒相對(duì)基準(zhǔn)角度存在明顯偏差，那么將會(huì)對(duì)導(dǎo)向槽中滾子的平滑移動(dòng)帶來(lái)阻礙。導(dǎo)向槽互相垂直其中一個(gè)方向的鋸齒被定義為第一方向，與之垂直另外的鋸齒則是第二方向。將第一方向角度公差假設(shè)為∠0.010AB，按照實(shí)際尺寸參數(shù)，使用公差運(yùn)算便可獲得第一方向齒形最大偏斜角度，證明其與滾子界面配合規(guī)定一致[7]。如果導(dǎo)向槽與齒形板上方的第二方向與第一方向的相對(duì)垂直度偏差十分明顯，即便兩個(gè)零件的第一方向可以正常嚙合，導(dǎo)向槽第二方向鋸齒也有可能發(fā)生無(wú)法正?？ㄈ臊X形板的問(wèn)題，使得導(dǎo)向槽懸于齒形板。基于此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，導(dǎo)向槽、齒形板第二方向相對(duì)于第一方向的垂直度偏差達(dá)到最大，導(dǎo)向槽依然可以和齒形板保證配合效率，達(dá)到鋸齒配合規(guī)定的公差要求。此外，計(jì)算理論最大嚙合深度，當(dāng)兩個(gè)零件的第二方向分別為最大垂直度，此時(shí)齒面貼合率必須大于理論狀態(tài)75%。

3.3 計(jì)算孔徑尺寸

按照導(dǎo)向槽安裝需求與要求，導(dǎo)向槽相互垂直鋸齒方向必須要對(duì)3個(gè)齒距進(jìn)行定義，將其當(dāng)作調(diào)節(jié)量，以0.1in為宜。定義孔徑時(shí)，需要維持最佳調(diào)節(jié)量。在此基礎(chǔ)上還必須符合“如果制造偏差累積已經(jīng)達(dá)到最壞狀況，而且螺桿無(wú)法觸碰孔壁”的條件?？装霃健⑤S線位置必須要設(shè)定相應(yīng)的約束條件，配合后孔單側(cè)間隙與最大累積誤差相減之后，結(jié)果要超過(guò)調(diào)節(jié)量。

3.4 材料纖維方向

導(dǎo)向槽材料纖維方向共有3個(gè)，即L方向（Longitudinal）、LT方向（Long Transverse）、ST方向（Short Transverse）,L方向垂直與另外兩個(gè)方向。其中L向與工作方向、金屬纖維流動(dòng)主方向?yàn)槠叫嘘P(guān)系，也是最大強(qiáng)度的方向。為了滿(mǎn)足艙門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，原材料的選擇建議應(yīng)用不銹鋼材質(zhì)的方形棒材，L向即為應(yīng)力最高方向，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中可能會(huì)面臨采購(gòu)、規(guī)格參數(shù)等因素約束。對(duì)材料強(qiáng)度進(jìn)行校驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)ST方向最弱，但也能夠符合強(qiáng)度要求。

4 結(jié)果與啟示

根據(jù)零件應(yīng)力分布情況，單元應(yīng)力最大值、材料許用安全強(qiáng)度對(duì)比，安全裕度較大。觀察最大位移值的實(shí)際發(fā)生位置在載荷作用點(diǎn)，零件變形不明顯，而且能夠保證良好的剛度。處于破損－安全工況下，零件最大應(yīng)力值不會(huì)超過(guò)許用安全強(qiáng)度，最大位移值同樣是發(fā)生在載荷作用點(diǎn)。而且零件變形與剛度均比較理想。未對(duì)導(dǎo)向槽進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)的零件重量，與拓?fù)鋬?yōu)化之后的零件重量對(duì)比有所降低。上述所有優(yōu)化設(shè)計(jì)，是以拓?fù)鋬?yōu)化為前提進(jìn)行的零件尺寸優(yōu)化，經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理之后的零件應(yīng)力變化更加均勻，而且提高了材料利用率，民用飛機(jī)艙門(mén)結(jié)構(gòu)形式也能夠達(dá)到最為理想的狀態(tài)。

民用飛機(jī)艙門(mén)可以滿(mǎn)足飛機(jī)正常飛行的安全性，一旦在空中飛行過(guò)程中出現(xiàn)緊急狀況，可以直接通過(guò)艙門(mén)疏散乘客，保證所有乘客額的人身安全，乘客也可以在最短時(shí)間逃離?；诖耍撻T(mén)作為重要部分，無(wú)須承受機(jī)身總體載荷，但必須要承受客艙增壓載荷。艙門(mén)部位的機(jī)身總體載荷，也可直接理解為艙門(mén)附近結(jié)構(gòu)，也就是門(mén)框承受。導(dǎo)向槽是艙門(mén)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，必須保證一定的剛度，確保艙門(mén)在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)可以快速開(kāi)啟。此外，民用飛機(jī)輕度追撞著陸，此時(shí)因?yàn)闄C(jī)身可能發(fā)生變形，會(huì)卡住艙門(mén)，優(yōu)化設(shè)計(jì)導(dǎo)向槽可以將該故障發(fā)生概率降到最低。開(kāi)啟艙門(mén)的全過(guò)程一般包括解鎖、提升、推開(kāi)三個(gè)環(huán)節(jié)，艙門(mén)提升環(huán)節(jié)的楣梁結(jié)構(gòu)，建議優(yōu)先應(yīng)用鵝頸鉸鏈，沿著既定軌跡分別向內(nèi)、向上提升艙門(mén)。向內(nèi)運(yùn)行的作用是艙門(mén)可以從止動(dòng)塊接觸面處轉(zhuǎn)移，移動(dòng)軌跡則是依靠艙門(mén)導(dǎo)向槽進(jìn)行控制，滾子沿導(dǎo)向槽軌道進(jìn)行移動(dòng)，達(dá)到艙門(mén)打開(kāi)/關(guān)閉的操作目的。

結(jié)合民用飛機(jī)艙門(mén)導(dǎo)向槽的實(shí)際功能，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，準(zhǔn)確得知導(dǎo)向槽受力情況，采用有限元分析軟件展開(kāi)拓?fù)鋬?yōu)化，對(duì)導(dǎo)向槽尺寸參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，綜合對(duì)比應(yīng)力、變形等情況，分析發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向槽應(yīng)力分布具有良好的均勻性，剛度、重量也符合導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)要求。導(dǎo)向槽零件和艙門(mén)功能要求相符，為今后民用飛機(jī)艙門(mén)設(shè)計(jì)提供參考。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，民用飛機(jī)中的艙門(mén)是非常重要的部分，一旦發(fā)生危險(xiǎn)可以及時(shí)組織乘客疏散、離開(kāi)。那么在艙門(mén)開(kāi)啟/關(guān)閉過(guò)程中，導(dǎo)向槽起到重要作用。對(duì)導(dǎo)向槽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，一方面可以在性能上加以?xún)?yōu)化，另一方面還能夠在選材、功能等其他方面進(jìn)行完善。對(duì)于艙門(mén)結(jié)構(gòu)而言可以加強(qiáng)靈活性、安全性，對(duì)于民用飛機(jī)整體設(shè)計(jì)而言，有利于優(yōu)化運(yùn)行性能，切實(shí)加強(qiáng)民用飛機(jī)艙門(mén)設(shè)計(jì)水平。