民用飛機艙門口框概念設計分析

陳勇哲

摘 要：文章概述了民用飛機艙門開口對機身總體受力系統的影響及如何對開口補強設計，以及對關鍵重要件的選材和制造方法的選用。

關鍵詞：半硬殼式結構；“堵塞式”艙門設計；分析

引言

現代飛機的機身是一種加強的殼體，這種殼體通常稱為“半硬殼式結構”。其由縱向元件（如桁梁與長桁）、橫向元件（如普通隔框可加強隔框）以及外蒙皮構成。桁梁承受機身大部分彎矩以及彎矩所引起的軸向力，機身蒙皮承受橫向外載荷與扭矩引起的剪切力以及座艙增壓載荷。

但是民用飛機必須有旅客出入的門，以及搬運食品的服務門，和危急情況旅客能迅速離開飛機的應急艙門。這些艙門開口部位通常都位于結構高載荷區域，開口切斷了半硬殼式機身的總體傳力構件，導致開口部位出現嚴重的應力集中。由于現代民用飛機適航條例要求，在各種情況下用于旅客進出的所有艙門要能夠迅速打開，同時保證飛機增壓艙的安全，所以飛機艙門多采用從里向外關閉的“堵塞式”設計。這種關閉方式設計的艙門只承受艙壓引起的環向張力，而機身上的大部分拉伸和剪切載荷仍要由艙門周圍結構承擔。

本文從分析飛機機身開口對機身載荷傳遞的影響，提出如何在開口周圍布置額外的加強結構來承受這些載荷。

1 機身開口對總體受力系統影響分析

根據機身總體受力系統的傳力狀態及艙門的關閉方式來分析開口處重新分布的載荷。先分別考慮每一種情況，然后再把各種情況結合起來考慮，以便擬定每一構件最危險的設計情況。

情況Ⅰ機身蒙皮剪力-考慮各種飛行條件；

情況Ⅱ截斷長桁載荷-考慮各種飛行條件；

（1）情況Ⅰ機身蒙皮剪力-考慮各種飛行條件

a.無開口時蒙皮剪流分布狀態；

b.在開口處施加一大小相等方向相反的剪流，并將剪流增量（帶△的剪流）分配給周圍各板；

（2）情況Ⅱ截斷長桁載荷-考慮各種飛行條件

這里考慮的是由開口前、后兩邊的斷長桁所引起的蒙皮上的附加剪流。

假設四個角無約束，斷長桁的載荷沿開口兩側向口框梁（上述情況Ⅰ設定）擴散。

2 開口加強結構方案的確定

2.1 人員出入的艙門開口加強結構設計

堵塞式登機門、服務門及應急艙門開口通常長寬比大約是l/h<0.6。艙門為側開式。開口切斷了機身的總體傳力系統，要滿足適航關于這種艙門要能迅速打開，艙門只承受艙壓引起的環向張力，而機身上的大部分拉伸和剪切載荷仍要由艙門周圍結構承擔的規定，將對被破壞的結構按靜強度、耐久性設計原則和破損-安全理論對其進行補強設計布局。

上述幾種重分布的載荷疊加作用，這樣可以得出，由于開口的原因使局部剪流加大，為平衡開口邊緣剪流同時承載加大區域的剪流，要在開口的上、下，前、后分別布置薄壁組合梁、框，組合梁自開口邊緣前、后延伸段約為開口高度的0.5倍。在開口區域蒙皮內、外側鋪設鋁合金加強板。此外，還在開口周邊框上設置傳遞門上氣密載荷的止動擋塊及加強肋。

由于開口尺寸相對較大，在機身總體受力狀態下，開口區域存在撕裂扭力。為平衡扭力同時滿足破損-安全設計原則，要把開口加強結構布置成盒式結構。從登機門和服務門及應急門的總體布置圖可知，在開口邊緣框前、后鄰近處布置有機身隔框，因此可將邊緣框左、右側的加強肋按斷開的長桁的格局進行布置同時連接到鄰近的隔框上，這樣既可將邊緣框與鄰近隔框連接成盒段，同時又替代長桁傳力和支撐蒙皮。在開口區上、下區域機身縱向只布置有長桁，由于長桁相對較弱，所以要在相應位置截斷長桁，局部加強布置成桁梁結構與邊緣梁及邊緣框組成盒段結構。為保證四角在扭力作用下，降低局部剪切應力水平同時增強邊緣框、梁抗扭能力，要在邊緣框、梁連接處內、外側布置搭接板，這樣邊緣框、梁及蒙皮、搭接板也組合成盒式結構。這種單框雙梁式設計結構簡單，傳力路線清晰，同一構件避免復合受力體現了耐久性設計原則；同時也符合等強度理論原則和破損-安全設計理論。

2.2 貨艙門開口加強結構設計

貨艙門開口長寬比通常為l/h>1。貨艙門開口跨度過大，機身總體受力時，在開口區域有很大的扭力出現，利用鄰近隔框承擔載荷難以達到理想效果，因此對貨艙開口要加設輔助框，由輔助框與主框組成盒段結構承載扭力。由于艙門跨度尺寸大，且處于機身雙曲度位置，若采用側開方式，艙門打開會與機身發生干涉碰撞，導致無法將門開大，影響貨物裝卸。因此可考慮采用向上外翻式開啟方式，在上主梁上設置懸掛鉸鏈接頭，下主梁設置液壓鎖扣。其他可與人員出入艙門口框結構類似。

3 材料及制造工藝的選用

根據民用飛機材料選用原則，在增壓艙區域蒙皮類零件應選用抗疲勞性能好，裂紋擴展速率低的2000系列材料，常用的有2024及鋁鋰合金2198；而需要靜強度高，承受高應力的零件應選用7000系列材料。

在這里推薦選用：

蒙皮及加強板：鋁鋰合金2198鈑金成型；

熱處理狀態：T8；

表面處理：鉻酸陽極化；

梁、框及加強肋、止動擋塊、鉸鏈接頭：鋁合金7475機加成形；

熱處理狀態：T7351；

表面處理：鉻酸陽極化。

4 結束語

經過上述對機身開口處載荷的再分布狀態的分析，擬定了艙門口框加強結構的初步布局格式及材料和制造工藝的選用。此構型得到了加拿大龐巴迪公司C系列飛機相關部位設計的實際論證。近幾十年來，隨著冶金材料及制造工藝水平的提高，計算機三維設計、計算模擬分析的應用，民用飛機機體設計的能力得到了很大的改進和提升。現代民用飛機更安全、舒適、高效、經濟。

參考文獻

[1]牛春勻.實用飛機結構工程設計[M].北京：航空工業出版社，2008，

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