民用飛機(jī)機(jī)身門(mén)框設(shè)計(jì)研究

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究部，上海201210）

在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)中，由于適航及功能需要，機(jī)身上不同部位布置有一定數(shù)量不同大小、形狀、功能和承載方式的艙門(mén)，如登機(jī)門(mén)、服務(wù)門(mén)、貨艙門(mén)、應(yīng)急艙門(mén)、起落架艙門(mén)等，這樣不可避免需要在機(jī)身上開(kāi)口，這些艙門(mén)開(kāi)口通常在機(jī)身的重要承載部位[1]。

機(jī)身開(kāi)口后會(huì)導(dǎo)致機(jī)體結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中、參差彎曲等問(wèn)題，周?chē)妮d荷重新分配，因此需要對(duì)艙門(mén)開(kāi)口進(jìn)行加強(qiáng)，以承受開(kāi)口周?chē)妮d荷，在艙門(mén)開(kāi)口周邊均布置了門(mén)框加強(qiáng)結(jié)構(gòu)[2]。

門(mén)框的方案布局除了要考慮門(mén)框不同方案的承載特性外，還要考慮艙門(mén)開(kāi)口處機(jī)身總體受載特點(diǎn)，尤其是總體彎矩引起的長(zhǎng)桁軸力分布特點(diǎn)，以及艙門(mén)的特點(diǎn)如艙門(mén)的類(lèi)型、打開(kāi)方式、連接結(jié)構(gòu)以及艙門(mén)的承載情況。此外，還應(yīng)考慮門(mén)框與艙門(mén)的剛度匹配問(wèn)題。

從提高結(jié)構(gòu)的材料利用率，從而減輕重量的角度來(lái)看，艙門(mén)最好都設(shè)計(jì)成能夠傳遞機(jī)身總體載荷的受力艙門(mén)，但為了滿(mǎn)足適航要求往往做不到這一點(diǎn)。尤其是登機(jī)門(mén)和應(yīng)急門(mén)，必須設(shè)計(jì)成能夠快速方便的打開(kāi)，一般設(shè)計(jì)成不參與機(jī)身總體受力形式。民用飛機(jī)貨艙門(mén)往往沒(méi)有快速打開(kāi)的要求，在滿(mǎn)足適航要求的前提下，可設(shè)計(jì)成剪力式艙門(mén)結(jié)構(gòu)，參與機(jī)身總體剪力的傳遞。

本文介紹了幾種機(jī)身開(kāi)口加強(qiáng)門(mén)框的結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)，并以某型號(hào)飛機(jī)后登機(jī)門(mén)框?yàn)槔榻B了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為民用飛機(jī)大開(kāi)口加強(qiáng)和門(mén)框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定借鑒意義。

1 門(mén)框結(jié)構(gòu)形式對(duì)比

根據(jù)門(mén)框結(jié)構(gòu)方案的不同，一般可分為井字形圍框、雙框井字形圍框、混合型圍框等加強(qiáng)方式。

1.1 井字形圍框結(jié)構(gòu)

井字形圍框結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在開(kāi)口周邊布置一圈加強(qiáng)構(gòu)件（前、后加強(qiáng)邊框和上、下檻梁），而不再布置其他加強(qiáng)構(gòu)件，典型的井字形圍框結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1井字形圍框結(jié)構(gòu)

傳力分析：

（1）開(kāi)口引起的附加剪流由開(kāi)口周?chē)訌?qiáng)蒙皮傳遞；（2）打斷長(zhǎng)桁軸力和蒙皮張力，由蒙皮以剪流形式傳遞到檻梁和邊框上；（3）蒙皮剪流引起的附加彎矩由邊框和鄰接框、檻梁和逐步參與的縱向桁條的反向軸力平衡。

對(duì)于本身布置有很多縱向桁條，剛度要求不苛刻，且艙門(mén)不參與機(jī)身總體載荷傳遞的結(jié)構(gòu)，開(kāi)口可以采用井字形圍框加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

1.2 雙框井字形圍框結(jié)構(gòu)

雙框井字形圍框結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在井字形圍框的周邊再加一圈桿件加強(qiáng)構(gòu)件（前、后鄰接框和上、下輔助檻梁），形成內(nèi)外兩圈加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，典型的雙框井字形圍框結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2雙框井字形圍框結(jié)構(gòu)

傳力分析：

（1）開(kāi)口引起的附加剪流由開(kāi)口四邊格子內(nèi)的加強(qiáng)蒙皮傳遞；（2）斷長(zhǎng)桁軸力和蒙皮張力由蒙皮以剪流形式傳遞到主檻梁和邊框上；（3）蒙皮剪流引起的附加彎矩由邊框和鄰接框、主檻梁和輔助檻梁的反向軸力平衡（受影響區(qū)蒙皮和長(zhǎng)桁的承受正應(yīng)力按等慣性矩原則折算到檻梁上）。

對(duì)于受載情況復(fù)雜、結(jié)構(gòu)縱向桁條較少或者剛度要求較為苛刻的結(jié)構(gòu)，開(kāi)口可采用雙框井字形圍框加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

1.3 混合型圍框結(jié)構(gòu)

混合型圍框結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在井字形圍框的周邊根據(jù)需要在局部加些桿件，形成不封閉的外框，典型的混合型圍框結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3混合型圍框結(jié)構(gòu)

混合型圍框兼具井字形圍框和雙框井字形圍框的傳力特點(diǎn)。對(duì)于門(mén)框局部受載較大、艙門(mén)連接需要布置輔助構(gòu)件等情況，可以采用混合型圍框結(jié)構(gòu)。

三種門(mén)框的特點(diǎn)如表1所示。

表1三種門(mén)框形式的特點(diǎn)

2 某型號(hào)飛機(jī)后登機(jī)門(mén)結(jié)構(gòu)分析

2.1 要求和功能

門(mén)框的方案布局不僅要考慮艙門(mén)開(kāi)口處機(jī)身總體受載特點(diǎn)，尤其是總體彎矩引起的長(zhǎng)桁軸力分布特點(diǎn)，以及艙門(mén)的類(lèi)型、打開(kāi)方式、連接結(jié)構(gòu)以及艙門(mén)的承載情況等，還應(yīng)考慮門(mén)框與艙門(mén)的剛度匹配問(wèn)題。

根據(jù) 25.305條載荷與變形要求及25.783條艙門(mén)要求，零部件不應(yīng)在設(shè)計(jì)應(yīng)力下發(fā)生永久變形，且開(kāi)口周邊結(jié)構(gòu)（即門(mén)框）應(yīng)具有足夠的剛度以避免因機(jī)身變形而將艙門(mén)卡死。

通常情況，民用飛機(jī)登機(jī)門(mén)門(mén)框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須完成以下功能和目標(biāo)：

（1）承受并傳遞飛機(jī)使用中的各種機(jī)動(dòng)、著陸、增壓載荷；（2）保證登機(jī)門(mén)安裝及正常開(kāi)啟與關(guān)閉；（3）結(jié)構(gòu)可以工作在溫度為－55℃～54.5℃環(huán)境下；（4）結(jié)構(gòu)應(yīng)能防雨水、冰雹，保證沙塵不侵蝕艙內(nèi)；（5）為各種系統(tǒng)、電器設(shè)備及內(nèi)裝飾提供安裝位置和支持；（6）滿(mǎn)足氣密、防腐蝕密封和排水要求；（7）有足夠的空中和地面維護(hù)檢查操作通道等；（8）滿(mǎn)足閃電防護(hù)要求。

2.2 后登機(jī)門(mén)門(mén)框結(jié)構(gòu)

后登機(jī)門(mén)門(mén)框結(jié)構(gòu)主要由化銑加強(qiáng)蒙皮、加強(qiáng)墊板、前邊框、后邊框、上主檻梁、上輔助檻梁、下檻梁、縱向加強(qiáng)件組成，這些加強(qiáng)件與前、后鄰接框以及下檻梁下方長(zhǎng)桁一起構(gòu)成混合型圍框主傳力結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4。

圖4后登機(jī)門(mén)框結(jié)構(gòu)

主要構(gòu)件布置如下：前邊框布置在開(kāi)口前的框位，后邊緣框布置在開(kāi)口后的框位，上主檻梁布置在開(kāi)口上的長(zhǎng)桁處，上輔助檻梁布置在主檻梁上2個(gè)桁距處，下主檻梁布置在客艙地板平面與機(jī)身壁板交線處，為客艙地板邊梁的一部分，以綜合利用結(jié)構(gòu)，減輕重量；縱向加強(qiáng)隔板沿登機(jī)門(mén)觸點(diǎn)給定平面布置；加強(qiáng)墊板布置在蒙皮開(kāi)口四角的內(nèi)表面。上、下檻梁自蒙皮開(kāi)口邊緣向前、后延伸至鄰接框，約0.5倍開(kāi)口寬度；前、后邊框自開(kāi)口邊緣向上、下延伸至蒙皮搭接處。前、后邊框和上、下檻梁盡量靠近蒙皮開(kāi)口邊緣，主傳力構(gòu)件邊框保持完整，檻梁在邊框處分段。

門(mén)框的“井”字形加強(qiáng)構(gòu)件，縱向布置為2根加強(qiáng)的組合上縱梁、2根加強(qiáng)的組合下縱梁，前、后邊框，縱、橫向加強(qiáng)件構(gòu)成的“井”字形圍框，對(duì)限制開(kāi)口的變形提供充分的剛度支持。按門(mén)的懸掛支點(diǎn)、止動(dòng)件、鎖槽的相關(guān)位置，布置六根縱向加強(qiáng)件。為加強(qiáng)門(mén)框結(jié)構(gòu)的剛度，降低十字交匯區(qū)域的應(yīng)力，前后兩端框、縱向加強(qiáng)件和上下縱梁蒙皮均保持有相當(dāng)?shù)暮穸龋趦?nèi)側(cè)也設(shè)置有一定厚度的加強(qiáng)連接板。

2.2.1 蒙皮和加強(qiáng)墊板

蒙皮范圍在分成前、后兩塊，通過(guò)對(duì)接帶板連接。蒙皮根據(jù)載荷分布情況采用變厚度多級(jí)機(jī)加。在蒙皮搭接處帶有鈦合金止裂帶及鋁合金楔形墊片。蒙皮開(kāi)口四角是DFR（細(xì)節(jié)疲勞額定值）較高部位，故在四角處有較大范圍的加厚，并且在內(nèi)表面加了一層加強(qiáng)墊板。

2.2.2 邊框

邊框采用鋁合金厚板機(jī)加，“［”型剖面，前邊框向前彎，后邊框向后彎，中間布置有加強(qiáng)筋與縱向加強(qiáng)件連接，邊框上布置了密封擋塊和止動(dòng)件。

2.2.3 上檻梁

上檻梁處需安裝艙門(mén)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)支座，為保證艙門(mén)的正常開(kāi)啟，確保登機(jī)門(mén)門(mén)框的功能，上檻梁由上主檻梁、上輔助檻梁、蒙皮及上蓋板組合成盒形梁，以提供較大的剛度支持，保證變形要求。上主檻梁由門(mén)楣和延伸段構(gòu)成，上輔助檻梁分為3段。

2.2.4 下檻梁

下主檻梁位于地板長(zhǎng)桁，由三段組成：門(mén)檻和前、后兩塊剪切板。門(mén)檻采用鋁合金厚板機(jī)加而成，將開(kāi)口區(qū)域的地板長(zhǎng)桁、客艙地板邊界梁、剪切板組合成一個(gè)盒形零件。前、后剪切板連接地板長(zhǎng)桁和客艙地板邊界梁，為鋁合金板材。

2.2.5 縱向加強(qiáng)件

為平衡艙門(mén)傳遞給邊框的壓差載荷，在邊框處布置有縱向加強(qiáng)隔板，以提高艙門(mén)剛度。根據(jù)登機(jī)門(mén)止動(dòng)點(diǎn)位置布置縱向加強(qiáng)件，盡量使其與長(zhǎng)桁軸線重合。縱向加強(qiáng)件布置在邊框與鄰接框之間，為鋁合金板材。

2.2.6 與艙門(mén)的連接

后登機(jī)門(mén)通過(guò)鉸鏈支臂連接在邊框上的兩個(gè)鉸鏈接頭上，止動(dòng)接頭的布置與長(zhǎng)桁的布置盡可能相對(duì)應(yīng)，以便通過(guò)長(zhǎng)桁傳遞止動(dòng)接頭的載荷,剪切載荷通過(guò)縱向加強(qiáng)件傳遞。

2.2.7 防腐和氣密

為防止雨水滲入登機(jī)門(mén)內(nèi)，在后登機(jī)門(mén)開(kāi)口上方布置有排水槽，防止雨水滲入造成結(jié)構(gòu)腐蝕，提高機(jī)體使用壽命。在艙門(mén)開(kāi)口下方蒙皮外表面安裝合金鋼防磨板，防止蒙皮及下主檻梁被磨損，保護(hù)主要構(gòu)件。防磨板拆裝簡(jiǎn)單維修方便。

機(jī)身門(mén)框與登機(jī)門(mén)之間的氣密是由連接在門(mén)框周邊的密封擋件和登機(jī)門(mén)上的充氣式橡膠密封件壓緊配合實(shí)現(xiàn)的，與上下檻梁和邊框相連。

3 結(jié)束語(yǔ)

民用飛機(jī)機(jī)身開(kāi)口加強(qiáng)門(mén)框設(shè)計(jì)是飛機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一，本文首先對(duì)比分析了幾種機(jī)身開(kāi)口加強(qiáng)門(mén)框結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、傳力分析等，并以某型號(hào)飛機(jī)后登機(jī)門(mén)框?yàn)槔敿?xì)分析了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)民用飛機(jī)門(mén)框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定參考依據(jù)和借鑒意義。

[1]牛春勻.實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)[M].程小全，譯.北京：航空工業(yè)出版社，2005.

[2]《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1997.