艙門結構設計氣密性優化措施范文

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摘要：飛機艙門的密封是阻止機艙內漏氣或者失壓的重要方法和手段，艙門結構的氣密性優劣程度直接影響著飛機飛行安全。在某種程度上，艙門結構優化設計與密封設計關系緊密，同時艙門密封設計已成為飛機密封設計的關鍵組成部分，涉及艙門密封性能的因素有許多，主要有艙門與門框結構強度剛性，以及結構密封形式及制造裝配精度等。本文通過建立有限元模型，分析門體周圍剛度匹配對氣密性的影響，并對選用的艙門密封組件進行氣密對比試驗，研究艙門氣密優化的方法。

關鍵詞：艙門；密封；剛度；對比試驗

1引言

艙門設計是當今飛機設計重點之一，傳統設計的方法及流程，無論從資金投入還是試驗研發等方面已不能適應現代飛機的設計發展趨勢，也會影響飛機研制的整個周期及后期使用壽命。隨著計算機輔助設計技術的快速發展，飛機結構優化設計手段和水平也在不斷改進及提升。

2艙門密封形式

艙門密封形式按其結構形式及密封原理主要分為充氣管密封、空心管形壓縮密封、腳形壓縮密封、隔膜壓縮密封和包覆填充物壓縮密封等。

2.1充氣管密封

充氣管密封帶一般由中空的橡膠密封帶、內部復合織物、充氣嘴組成。充氣式橡膠密封帶是利用中空全封閉的腔體充滿氣體，利用氣體產生的膨脹壓力，實現橡膠面與門體的接觸密封，密封的斷面為中空的全封閉結構。充氣管密封的優點如下：a)密封性非常好；b)對艙門變形的補償性較好；c)手動操作的艙門對其操作力無影響；d)充氣管密封件具有一定自我保護作用。充氣管密封的缺點如下：a)密封帶成本相對較高；b)密封帶需要較高的疲勞壽命；c)需要壓縮空氣源及充氣、泄氣控制系統；d)破損后氣密性下降極為嚴重；e)缺陷擴散速度非常快；f)需要在艙門上設置額外的排水或水密系統；g) 關閉艙門時有一定的噪聲及沖擊。

2.2空心管密封

空心管形壓縮密封帶通常安裝在艙門四周，當艙門關閉時，通過門框結構壓縮空心管密封帶，產生一定的壓縮量，達到氣密、水密要求。一般在空心管密封帶四周開有若干通氣孔，當艙內增壓時，高壓氣體進入空心管密封帶內部，進一步增大密封帶與門框結構間的壓縮力，從而提高空心管密封帶氣密性。空心管形壓縮密封的優點如下：a)密封帶成本較低；b)應用較為廣泛；c)重量較輕；d)破損對其氣密性影響較小；e)維護性好。空心管形壓縮密封的缺點如下：a)氣密性一般；b)氣密性對艙門與門框剛度依賴性較大；c)對艙門的手動操作力影響較大。

2.3腳形壓縮密封

腳形壓縮密封帶通常安裝在艙門四周，當艙門關閉時，通過門框結構貼壓腳形密封帶，達到氣密、水密要求。當艙內增壓時，在艙內高壓氣體作用下，使密封帶進一步壓緊門框，提高氣密性。腳形壓縮密封的優點如下：a)對艙門的手動操作力影響較小；b)維護性好；c)能補償一定量的艙門變形。腳形壓縮密封的缺點如下：a)氣密性較差；b)邊緣易損壞；c)邊緣易出現翹起，引起泄漏。

2.4隔膜壓縮密封

隔膜密封結構通常由兩面包覆織物的橡膠板、固定壓條、擠壓條組成。橡膠板通過固定壓條安裝于艙門四周。艙門關閉時，通過安裝在門框上的擠壓條緊壓膠板表面達到水密。當艙內增壓時，通過橡膠板兩側壓力差，進一步壓緊膠板，達到氣密。隔膜壓縮密封的優點如下：a) 密封帶成本非常低。隔膜密封采用雙面復合織物的橡膠板制成，無需額外模具成形，通常采用擠壓工藝，量產率高；b）對艙門變形的補償性較好。隔膜密封件通過膠板兩側形成的壓差，提高壓緊壓條的密封壓縮力，能補償艙門變形與門框變形不匹配帶來的密封間隙增大問題；c) 對艙門的手動操作力影響較小。當艙門關閉時，隔膜密封件對門框的壓縮載荷較小，因此對艙門手動操作力影響較小；d) 能密封較大的間隙。因結構形式限制，艙門與門框密封間隙較大時，采用隔膜密封形式能起到良好密封效果。隔膜壓縮密封的缺點如下：a) 使用維護性較差。隔膜密封件通過固定壓條連接于艙門四周，安裝時需采用緊固件連接，還需將密封件繃緊，安裝、更換相對復雜；b) 缺陷擴散速度非常快。當隔膜密封件有較小的缺陷，如意外破損時，因其內部存在高壓氣體作用，使其破損擴展速度非常快；c) 沿復雜曲面安裝復雜。隔膜密封件安裝時，需將膠板繃緊，消除褶皺，因此在復雜曲面上安裝時非常復雜；d) 易損壞。當艙門打開時，隔膜密封件的大量表面暴露于艙門四周，極易產生破損。

2.5包覆填充物壓縮密封

包覆填充物壓縮密封通常由橡膠皮，發泡橡膠填充物、固定壓條、擠壓條組成。橡膠皮將發泡橡膠填充物包覆起來，并通過固定壓條安裝于艙門四周，當艙門關閉時，安裝于門框上的擠壓條壓緊包覆的橡膠填充物，從而達到氣密、水密的效果。包覆填充物壓縮密封的優點如下：a) 能密封較大的間隙。因結構形式限制，艙門與門框密封間隙較大時，采用包覆填充物壓縮密封形式能起到良好密封效果；b) 對艙門的手動操作力影響較小。當艙門關閉時，密封件對門框的壓縮載荷較小，因此對艙門手動操作力影響較小。包覆填充物壓縮密封的缺點如下：a) 使用維護性較差。包覆填充物密封件通過固定壓條連接與艙門四周，安裝時需采用緊固件連接，還需將密封件繃緊，安裝、更換相對復雜；b) 沿復雜曲面安裝難度大。包覆填充物密封件安裝時，需將膠板繃緊，消除褶皺，因此在復雜曲面上安裝時難度較大。

3艙門有限元計算

3.1有限元模型

建立有限元模型，網格劃分采用HyperMesh模塊完成，主體結構中框、蒙皮、長桁墊片、密封件及其連接件均離散為殼單元，接頭及厚板件采用六面體單元，標準件（如：螺栓、螺帽、鉚釘等）的連接則采用1維焊點單元（CWELD）。

3.2邊界條件

艙門在關閉時，主要考慮結構的剛度及氣密性要求，在此工況載荷下，門體結構上氣密載荷由梁的拉壓及蒙皮環向拉伸承擔，然后通過梁接頭傳遞到門體上，并擴散至機身。此外，門體區域同時也承受氣密工況載荷。氣密載荷施加于蒙皮及門體外蒙皮上，載荷示意圖見圖1。

3.3變形分析

對艙門的結構在氣密工況下的受力進行分析。氣密載荷工況下艙門和門框的變形云圖，見如圖2。在圖2中，A、B、C和D分別代表艙門的頂部、底部、前側以及后側位置點，計算得到艙門與門框受載變形的差值，數據具體見表1。

3.4分析結論

根據計算數據可以看出，門體頂部與門框之間的變形差值較大,門體底部與門框之間的變形差值次之，但艙門底部是通過密封帶短邊與門框的干涉起密封作用的，飛機增壓時，短邊會膨脹增長，有利于對剛度匹配差值進行補償，而且變形后會與門框的貼合的更緊，因此密封效果較好。艙門頂部是通過密封帶長邊與門框的干涉起密封作用的，飛機增壓時，由于長邊剛性弱因此會變形收縮，進而會減少與門框的干涉量，對艙門密封是不利的，因在頂部與底部的剛度匹配差值較為接近的情況下，艙門底部氣密帶變形有利于密封，因而底部的密封性能要比頂部好；而艙門前側和后側與門框之間密封形式與底部相同，都是由密封帶短邊的膨脹變形來進行補償，變形差值最小且兩側基本相當，密封效果也最好。

4艙門氣密試驗論證

4.1試驗過程

在艙門處于完全關閉狀態下，將位移傳感器按照測點位置安裝到位并保證位移傳感器測量桿與所測測點垂直，如圖3所示。充壓載荷采用分級充壓：0.00MPa—0.01MPa—0.02MPa—0.03MPa—0.04MPa—0.05MPa—0.06MPa—0.00MPa。

4.2試驗數據

在每級壓力下記錄位移傳感器讀數以及觀察艙段整體是否穩定，對艙門泄漏情況進行記錄。沖壓過程中艙門各測量點變形量曲線見圖4，試驗過程中，艙體穩定，無異響，艙門變形量滿足要求，艙門的剛度和氣密性均滿足設計要求。

5結論

通過有限元分析和試驗驗證，利用關鍵設計載荷下的線性靜力學研究與分析，獲得艙門在關鍵設計載荷工況下的力學行為，對艙門研制過程中的關鍵技術進行了分析研究，優化了結構設計流程，解決了傳統整體仿真模型無法適用結構細節設計的問題，有效減少了研制階段的資金投入及設計反復更改，提高了艙門結構設計的整體水平，大大縮短了艙門的研制周期。

參考文獻：

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作者：霍文輝 單位：中航飛機股份有限公司