民用飞机舱门导向槽优化设计

袁修起

【摘 要】民用飞机舱门导向槽是舱门开启或关闭时的导向机构。在满足结构功能的条件下，零件的腹板、筋条等细节特征的位置分布及几何尺寸对零件的刚度和重量具有直接的影响。为合理分布腹板、筋条等细节特征，本文使用有限元分析软件HyperMesh和Opti-Struct对导向槽初始结构进行了拓扑优化，依据拓扑优化结果建立了导向槽的几何模型，并进行了强度计算。通过计算分析，得到了满足舱门功能要求和试验目的的导向槽结构，为后续相关产品的设计提供了参考。

【关键词】民用飞机；优化设计；导向槽

0 引言

在民用飞机客舱门结构中，导向槽是舱门打开/关闭过程中的导向装置。导向槽安装在门框的两侧。在舱门提升过程中，导向轴贴着导向槽的轮廓滚动，在密封件的压力作用下，压紧导向槽轮廓。导向槽位置示意图见图1。

图1 导向槽位置

导向槽是客舱门中比较典型的一个零件，对机构的正常可靠运行非常重要。本文对导向槽的设计进行介绍。在设计过程中，采用设计和分析相结合的方法，借助于有限元[1]仿真软件，进行拓扑优化和强度校核，力求通过合理的应力分布、恰当的结构形式及选材，获得一个强度、刚度好而又重量轻的导向槽结构。

1 载荷工况

在正常开关情况下，导向槽受力较小，导向槽强度按空中飞行状态的载荷工况进行校核。导向槽主要考虑两种工况下的强度情况：（1）负压工况；（2）破损-安全工况。

负压工况下，飞机最大负压差为-1.0 psi，考虑1.5倍安全系数，则座舱与大气负压工况极限载荷为：

负压工况下舱门蒙皮所受载荷由导向轴通过导向槽最终传到门框上，作用在导向槽上的最大负压载荷为5990N。

破损-安全工况即假定某止动块破损失效的情况下其它止动块和邻近的导向槽仍可以承受限制载荷。根据CCAR25[2]条款要求，破损-安全载荷取正常使用压差与外部气动载荷组合值的1.15 倍，即：

在单个止动块破损失效情况下，与其相邻的导向轴承受最大支反力，此支反力作用在导向槽上。支反力最大值P=9698N，此为导向槽受到的最大正压载荷。

2 结构设计及优化

导向槽选用材料为Ti-6Al-4V板材，材料弹性模量为116GPa，泊松比为0.31，抗拉强度为 930MPa，屈服强度861MPa。抗拉强度需考虑1.5倍的安全系数，即为930/1.5=620MPa。采用Altair 公司的Hyper-mesh12.0进行建模，用Optistruct求解器进行拓扑优化和静力分析。

首先对导向槽进行初步拓扑优化，优化模型及结果如图2所示。优化定义：在现有载荷情况下，定义非连接部位为设计空间；设计空间可拔模；约束：载荷作用点的总位移上限值为0.5mm；目标：最小化设计空间的体积。

根据拓扑优化后的导向槽模型，建立了导向槽的几何模型及其有限元分析模型。几何模型如图3所示。负压工况导向槽计算结果如图4所示，破损-安全工况导向槽计算结果如图5所示。

图4中零件从应力分布图来看，单元应力最大为458MPa，与材料的许用安全强度620MPa相比，有比较大的安全裕度。最大位移值为0.38mm，出现在载荷作用点处。零件变形比较小，整体刚度好。

图5中零件在破损安全工况下最大应力值是583MPa，小于材料的许用安全强度620MPa，最大位移为0.4mm，出现在载荷作用点处。零件变形比较小，整体刚度好。

在拓扑优化前零件重量是0.258kg，依据拓扑优化结果所做的零件重量是0.195kg，减轻63克。和拓扑优化前相比，重量减轻了25%。以上设计过程是在拓扑优化基础上对零件进行尺寸优化的过程。优化后应力变化比较均匀，材料利用率比较高。经过逐步的设计优化，得出了比较理想的结构形式。

3 结论

本文对客舱门导向槽功能进行了介绍，给出了导向槽的受力情况。借助于有限元分析软件，在拓扑优化的基础上通过尺寸优化对比分析应力和变形情况得到了应力分布均匀、刚度好、重量轻的导向槽结构。该零件能够满足客舱门的功能要求和试验目的，可以为同类型结构零件的设计提供重要指导或参考意义。

【参考文献】

[1]张洪武，关振群，李云鹏，等.有限元分析与CAE技术基础[M].北京：清华大学出版社m2004.

[2]中国民航局.CCAR25-R3.中国民用航空规章第25 部-运输类飞机适航标准[S].北京：中国民用航空局，2001，5.

[责任编辑：杨玉洁]