舱门密封件接触行为仿真分析

徐锦锦

【摘 要】现代飞机普遍采用气密舱设计。对于增压区舱门，普遍采用密封件密封。密封件的设计既要保证舱门关闭时气密性良好，又要保证舱门开关过程中受力合理。密封件过度的挤压变形易产生过大的接触力和摩擦力，导致开关门手柄力过大。为了分析密封件接触行为问题，基于非线性不可压缩Mooney-Rivlin本构理论，建立了舱门典型密封结构有限元模型，计算了在舱门开闭过程中此密封件的变形状态、接触力分布和摩擦力。结果表明：舱门关闭情况下，此密封件平均法向接触力约为1160N/m，密封件挤压产生的摩擦力约为348N/m。

【关键词】舱门密封；有限元；接触行为

中图分类号： V423.5 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0202-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.093

【Abstract】Modern aircraft generally adopts airtight cabin design.Seals are commonly used for doors in pressurized area.The design of the seal must ensure that the airtightness of the doors is closed and the force of the doors in the process of opening and closing is reasonable.Excessive squeezing deformation of the seal may easily generate excessive contact force and friction force，resulting in excessive force of the door handle.In order to analyze the contact behavior of the seals，based on the nonlinear incompressible Mooney-Rivlin constitutive theory，a finite element model of the typical seal structure of the door was established.The deformation state，contact force distribution and friction force of the seal during the opening and closing of the door were calculated.The results show that when the door closes in the cabin，the average normal contact force of the seal is approximately 1160N/m，and the friction generated by the seal extrusion is approximately 348N/m.

【Key words】Door Seals；Finite Element；Contact Behavior

0 引言

飛机气密舱设计可以保证客舱压力处于安全状态，同时隔绝灰尘、水等进入客舱[1]。舱门开关过程中，密封件应配合舱门运动轨迹，在舱门完全关闭状态时达到相应压缩量，保证气密性能。同时密封件挤压变形，产生接触力和摩擦力，增加了舱门的手柄力。因此设计高效合理的密封件形式，是气密舱门设计的关键。

密封件由橡胶和表面织物组成，材料属性复杂，应力-应变高度非线性，力学性能复杂，因此采用有限元计算方法，分析密封结构接触行为。

1 舱门密封件密封形式

密封结构主要应用于飞机上的各类舱门及口盖。由于其工作环境各异，密封形式也各不相同。飞机结构密封主要有密封件密封、密封胶密封、机械密封[2]。

舱门开口较大，开闭频繁，运动形态复杂多变，气密性要求高，需要适应性强、可靠性高的密封结构，通常采用密封件密封。

密封件截面形状各异，主要有管状、扁平状和爪型。本文选取一种典型的舱门管状密封件进行分析。

2 密封件有限元模型建立

1）建模的基本假设

（1）密封件主要材料为橡胶，作为超弹性材料，应力-应变行为高度非线性。橡胶泊松比接近于0.5，本文中均作为不可压缩材料。

（2）舱门密封结构中的密封压条材料是硬铝，弹性模量是70000MPa，而密封件为橡胶材料，弹性模量仅为7.5MPa，分析中着重考虑密封件的变形。

2）密封件材料模型

橡胶作为超弹性材料，一般选用Mooney-Rivlin 材料模型来描述橡胶密封件的本构关系[3]。

在理想不可压缩、恒温的条件下，假设橡胶各向同性且拉压性质相同，Rivlin改进后的本构模型为：

同时密封件表面有聚酯纤维织物布，在模型中抽取密封件表面，赋予织物材料数据。

3）边界条件与加载方式

密封件与密封压条的接触面、接触力随压缩量增加而不断变化，分别定义结构之间接触，硬铝与密封件的摩擦因数取0.3。

门开启初段行程和关闭末端行程是密封件作用的关键阶段。密封件运动轨迹模拟舱门开闭的运动轨迹。

由此建立此舱门密封结构有限元模型。

3 密封件接触有限元仿真结果分析

完成仿真计算，得到舱门关闭后密封件的变形及接触力分布情况，如图1所示。

单位密封件网格上的接触力最大为19.2N。经计算，密封件平均法向接触力约为：1160N/m，则单位长度密封件挤压产生的摩擦力约为：348N/m。

4 结论

本文针对舱门典型管状密封结构，建立密封件接触有限元模型，分析舱门开关过程中，密封件的位移场、接触力分布，计算密封件在舱门关闭时产生的摩擦力，为后续舱门密封设计提供依据。主要结论如下：舱门关闭情况下，此密封件平均法向接触力约为1160N/m，密封件挤压产生的摩擦力约为348N/m。

【参考文献】

[1]飞机设计手册总编委会.飞机设计手册[G].北京：航空工业出版社，2002.

[2]王哲.飞机结构密封与失效修理[J].民用飞机设计与研究，2014（3）.

[3]Boyce M C，Arrud a E M.Constitutive models of rubber elasticity：a review[J].Rubber Chemistry and Technology，2000，73（3）：504-523.