增压舱舱门止动接头强度分析方法

张文斌

增压舱舱门止动接头强度分析方法

张文斌

本文介绍了飞机增压舱舱门止动接头的强度校核方法。从舱门自然网格有限元模型中提取止动接头内力，建立止动接头精细网格有限元模型进行细节分析。对于危险的截面，如连接钉孔、耳片、螺栓和止动钉需要用工程分析方法进行强度校核。为保证分析方法的准确性，本方法同时考虑了舱门装配间隙、舱门与门框的刚度以及止动接头与挡块之间的摩擦。

止动接头介绍

止动接头典型结构如图1所示，是民用飞机增压舱舱门承载的主要部件，舱门本体承受的内外气压差都通过布置在舱门周边的止动接头传递到机身框架上。

为保证舱门能有更好的刚度和强度，止动接头通常布置在舱门的两侧，位于横梁与边框的交界处，如图2所示。止动接头通常由止动块、止动钉和挤压板组成，止动块通过4个螺栓与舱门边框连接，止动钉类似于一个螺栓，与止动块上耳片的内螺纹配合，可以调节伸出耳片的长度，用于保证安装舱门时止动接头与位于机身框架上的挡块严密贴合。为了便于制造，同一舱门的所有止动接头都一样。止动块需要具有良好的抗腐蚀性和抗疲劳性能，通常由合金钢或钛合金锻造而成，有时表面还会作喷丸处理。由于舱门经常开关，止动接头还可能出现擦伤、磕伤的情形。止动接头需容易拆装，作维修或更换处理。

载荷提取方法

止动接头为舱门与机身框架的交界，舱门主要承受座舱增压载荷，当座舱增压时，止动接头将作用于舱门上的合力传递给机身，止动接头上的载荷主要由以下3点决定：

1）座舱压差；

2）舱门和机身框架的相对刚度；

3）与门框挡块的贴合状态。

止动接头上的载荷提取自舱门有限元模型，舱门有限元模型中止动块位置附近的单元用RBE2连接，位移取全机有限元模型在增压载荷下机身框架相应位置的实际位移。另一种方法是将舱门与机身筒段一同建模和加载，如图3所示，所有止动接头与挡块用CGAP单元连接，其中初始间隙由门框挡块的贴合状态确定，工程计算时会考虑装配误差导致的最严重结果。CGAP单元闭合后沿承载方向赋止动接头与挡块的串联刚度。由于舱门要计算止动块的破损安全工况，所以建立MPC单元方便断开破损止动块的连接。舱门其余方向的自由度由导向轴、门闩和铰链臂约束。最后，通过MSC Nastran的非线性求解器（sol 106）得出CGAP各个工况下最大的内力作为止动接头校核用的载荷。

强度校核方法

止动块静强度校核方法

由于止动块形状复杂，需建立有限元细节模型进行强度分析，如图4所示，止动块用TETRA10单元建立，周围包裹TRIA6单元用于表面应力的提取。单元尺寸保证最小厚度方向有3层网格。与舱门连接的4个螺栓用RBE2单元模拟，主节点选取在螺栓剪切平面上（舱门与止动块的接触平面）。止动钉通过RBE3单元模拟，主节点选取在钉头端部（接触档件部位）。最后，在止动块上部建立线接触，模拟舱门边框对止动块的位移限制。

图1　止动接头典型结构形式

图2　舱门止动接头布置

图3　舱门与机身有限元模型连接

图4　止动块有限元模型

由于舱门与机身框架的变形协调，止动接头与挡块之间会产生摩擦力，摩擦力可能为接触平面内的任意方向。方便起见，如图5所示，只考虑8个方向的摩擦力，摩擦系数通常取0.15。

针对如图6所示的危险截面要用材料力学方法进行分析，在此不多阐述。

通过MSC Nastran的非线性求解器（sol 106）计算得出止动块的Von Mises应力，如图7所示，与材料的屈服强度作对比，判断是否需要塑性修正。止动块要求在限制载荷下不发生塑性变形，极限载荷下不破坏。

对于止动钉耳片需要用工程方法进行分析，如图8所示，耳片主要受摩擦力产生的径向拉伸载荷，参考Bruhn的《Analysis And Design Of Flight Vehicles Structures》中关于耳片的校核，主要考虑耳片孔挤压破坏和拉伸破坏，许用值计算公式如下：

其中e、D、L、W为耳片几何尺寸，Kbru为挤压有效系数，Ktu为拉伸有效系数，通过查经验曲线得到。

止动钉静强度校核方法

止动钉对危险截面要用材料力学方法进行分析，如图9所示，假设止动钉拧入耳片区域载荷呈线性分布，分别找出最大弯矩Mmax，最大剪力f，最大压力F，截面几何尺寸取止动钉小径对应的截面。

图5　摩擦力方向

图6　止动块危险截面

图7　止动块有限元应力云图

图8　止动钉连接耳片

图9　止动钉受力图

弯矩最大截面处载荷累积之和与剪力f相等，即：

分别计算弯、剪、压的载荷系数，最后用止动钉在组合载荷作用下的经验曲线或Bruhn的《Analysis And Design of Flight Vehicles Structures》中的公式计算出止动钉的安全裕度。

对于止动钉受弯产生的拉、压应力，极限载荷下可以考虑圆形截面的塑性修正系数，一般为1.0至2.0之间，可以在Bruhn的《Analysis And Design of Flight Vehicles Structures》查找得出。

止动接头连接舱门4个螺栓和对应的螺栓孔，同样需要进行强度校核，方法类似于止动钉以及耳片的强度校核方法，在此不再阐述。

疲劳强度校核

对于止动接头，同样需要进行疲劳分析，分析方法基于S/N曲线，载荷谱取正常座舱压差与零压差的地-空循环载荷。疲劳危险部位与静强度危险部位一致，最终需保证止动接头疲劳寿命大于飞机设计要求寿命。具体校核方法主要参考工程手册，在此不作展开。

结语

本文介绍了飞机增压舱舱门止动接头的强度工程校核方法，主要运用有限元和材料力学知识。针对各个危险部位和截面都进行逐一分析，确保结构满足强度要求。此类方法也适用于一般的金属接头。

张文斌

上海飞机设计研究院强度部

张文斌，男，硕士，助理工程师，上海飞机设计研究院，主要从事飞行器结构强度设计

DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2016.08.011