某型飞机舱门密封结构仿真分析与优化设计

胡碧阳?曹婷?罗涛

摘 要 为验证增压状态下舱门阶差能否满足设计要求，本文通过Hyper Works软件对舱门进行了有限元建模及密封结构仿真分析，根据仿真分析结果对舱门初始阶差及密封带初始压缩量指标进行了优化设计与验证分析，有效地缩短了产品研发周期。

关键词 Hyper Works;密封带;有限元分析

概述

某型飞机舱门密封系统采用了压密封的结构形式，当舱门受到增压载荷时密封带会压缩变形，舱门会突出机身外形形成一定的阶差，舱门密封形式及阶差示意见图1。

舱门增压阶差为飞机总体指标要求，阶差性能的满足与密封带刚度、密封带初始压缩量、舱门初始阶差等有关，影响因素众多，为满足这一指标要求，本文利用Hyper Works软件建立了有限元模型，对舱门密封结构进行了分析优化。

1舱门有限元模型的建立

1.1 建模原则

有限元模型为CATIA模型的1：1比例建模，真实反映舱门及其周边结构的几何尺寸、外形特征和连接关系，零件的小孔、圆角、倒角等对仿真计算精度影响不大的几何特征进行了简化。框、梁、长桁、隔板、蒙皮等薄板件采用壳单元，厚板件及实体机加件采用六面体单元，铆钉等连接件采用B31单元。基于此建模原则建立的舱门及机体机构整体有限元模型见图2[1]。

1.2 密封结构建模

金属结构建模相对简单，本文不再详述。密封带分析主要是研究密封带的变形，特别是局部的褶皱等变形，这要求建模时密封带的单元尺寸较小，而且需要保留的原有的外形特征。因此建模时密封带单元尺寸为2.0mm，厚度方向保证2层单元，单元为全六面体单元，体网格能更真实的反映密封带的变形情况，模型共有92760个单元。舱门与密封带底部连接在一起。密封结构有限元模型見图3。

密封带、门体、门框之间添加接触来模拟三者之间的相互关系，密封带与挡件、密封带与门体、采用滑动接触，门框与档件之间绑定，密封带内壁之间采用自接触，摩擦系数为0.35。接触形式见图4。

1.3 材料参数

机体结构除了密封带外均为铝合金材料2A12-T4和2024-T315，在分析过程中简化为各项同性的线弹性材料如表2所示。

本次分析密封带采用超弹性材料本构3次Ogden进行分析，密封带材料数据供应商提供。

1.4 载荷工况

本文仅进行气密工况分析，在舱门蒙皮上施加均布载荷，载荷大小0.035Mpa。

2舱门密封结构有限元分析

经分析，气密工况下舱门充压状态阶差如图5所示，从图中可知，充压阶差航向前侧和航向后较大，上部和下部阶差较小，其中航向前侧与上部交汇处阶差最大，最下端阶差最小，且阶差数据最小为3.51mm，最大为5.32mm，超出了设计要求中的最大阶差4mm的要求。

舱门充压状态下密封带截面图如图6所示， 从图中可知，舱门关闭充压状态密封带被完全压扁，两侧密封带内壁接触在一起，两侧压缩量最大;航向前侧、上部与航向后侧连接处大部分被压扁，密封带内壁大部分接触在一起，压缩量次之;上部中间及下部中间密封带内壁未接触在一起，其中下部压缩量最小[2]。

3舱门密封结构优化及分析

3.1 优化方案

从上文分析可知，舱门在初始阶差（未增压状态）为-2.5mm、密封带初始压缩量2.5mm的情况下，舱门在增压状态下的阶差不能满足设计要求。因此，在舱舱门密封带不改变的情况下，可通过改变舱门初始阶差及密封带初始压缩量参数来实现增压状态下舱门阶差的改变，以满足设计要求。

经分析计算，调整舱门初始阶差为-3mm，密封带压件增厚1.5mm，将密封带初始压缩量为3.5mm。改进方案见图7。

3.2 分析结果

经分析，优化后舱门关闭充压状态阶差如图8所示，从图8可知，关门充压阶差最大值为3.88mm。舱门阶差凸出门框不大于4mm，且阶差均匀稳定，满足设计要求。

4结束语

本文通过HyperWorks软件对舱门进行了有限元仿真分析，分析结果表明：

（1）在维持舱门密封带不改变的情况下，舱门初始阶差及密封带压缩量参数设计不合理，导致舱门在增压状态下不能满足总体技术要求;

（2）优化设计后，舱门关闭充压状态阶差可满足总体技术要求。

（3）借助软件分析可有效地对产品设计方案进行验证分析与模拟人员操作情况，从而避免反复设计、节约设计成本、缩短研发周期。

参考文献

[1] 陈定方等.现代机械设计师手册[M].北京：机械工业出版社，2013：12.

[2] 陕西省标准化研究院编.新编中外常用金属材料手册[M].西安：陕西科学技术出版社，2012：6.