民用飛機(jī)艙門設(shè)計各階段要點(diǎn)研究

吳 寧

（中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200336）

1 飛機(jī)概念階段

從市場調(diào)研和顧客對飛機(jī)的要求捕捉出對艙門使用、維護(hù)要求，形成艙門的頂層設(shè)計要求。在此階段，設(shè)計人員主要通過艙門布置、艙門形式、開啟方式、可用空間等多種設(shè)計概念進(jìn)行對比論證。

1.1 艙門布置

艙門布置時，首先要確定前后登機(jī)門、前后服務(wù)門、貨艙門的數(shù)量、位置、大小，其次考慮其他應(yīng)急門，再根據(jù)機(jī)身上安裝設(shè)備的維護(hù)情況，需要設(shè)置電子設(shè)備艙門、APU維護(hù)門、其他維護(hù)艙門。登機(jī)門作為出入客艙的艙門，在布置時要考慮滿足人員出入飛機(jī)的舒適性、方便性，同時登機(jī)門一般兼作應(yīng)急出口，還要滿足CCAR25部關(guān)于應(yīng)急出口布置的要求。布置應(yīng)急出口就是確定應(yīng)急出口的數(shù)量、尺寸、位置的過程。應(yīng)急撤離的目標(biāo)是：即使在飛機(jī)姿態(tài)非正常等情況下，90s內(nèi)盡快將所有乘客與機(jī)組人員從機(jī)艙安全撤離到地面或水面。應(yīng)急出口的設(shè)置應(yīng)嚴(yán)格按照CCAR25第25.807條和25.809條款要求。貨艙門應(yīng)根據(jù)飛機(jī)裝載能力，使最大可行尺寸的包裝箱進(jìn)出，并便于裝運(yùn)各種不同的規(guī)格、不同種類的盡可能多的貨物。對于民航客機(jī)，由于登機(jī)門一般位于航向左側(cè)，為了便于人、貨分流，一般貨艙門布置在飛機(jī)右側(cè)。艙門的布置注意點(diǎn)：1）艙門不宜緊靠機(jī)身結(jié)構(gòu)分離面；2）艙門不宜靠近與機(jī)翼前、后梁連接的框布置；3）艙門布置不宜改變機(jī)身原來的框距；4）艙門布置需考慮在使用時，不能與飛機(jī)周圍保證車輛的使用發(fā)生沖突。

1.2 艙門形式

艙門形式分為堵塞式、半堵塞式和非堵塞式。堵塞式和半堵塞式艙門只承受內(nèi)部壓力或座艙壓力，非堵塞式艙門除承受內(nèi)部壓力外還承受機(jī)身剪力。無論堵塞式艙門還是非堵塞式艙門，壓差引起的載荷均由艙門骨架和艙門蒙皮共同承受。

1.3 開啟方式和可用空間

開啟方式的選擇是指手動操縱開啟或者動力驅(qū)動的選擇，是內(nèi)開式還是外開式的選擇、是側(cè)翻還是平移開啟的選擇。開啟方式的選擇要從滿足艙門功能的需求出發(fā)，綜合考慮技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性、風(fēng)險與研制成本。

2 初步設(shè)計階段

根據(jù)艙門的頂層設(shè)計要求，結(jié)合適航條款要求，形成各艙門的設(shè)計要求；初步確定各艙門的總體布置、尺寸大小、開啟方式與機(jī)構(gòu)原理設(shè)計方案，進(jìn)行艙門結(jié)構(gòu)初步布置；初步確定艙門材料選用方案；初步確定艙門密封帶的形式和材料；開展各艙門的功能危害分析（FHA）和初步系統(tǒng)安全性評估（PSSA）；開展選型試驗(yàn)。

2.1 機(jī)構(gòu)交點(diǎn)位置協(xié)調(diào)與定義

艙門總體方案確定后，根據(jù)艙門的特征位置，就可開展艙門機(jī)構(gòu)布置和機(jī)構(gòu)交點(diǎn)位置協(xié)調(diào)設(shè)計，主要考慮因素：1）機(jī)構(gòu)的功能要求，如艙門的運(yùn)動方式，鎖定/解鎖邏輯，手動或動力操作方式，是否需要從內(nèi)外兩側(cè)操作手柄，在結(jié)冰情況下艙門能否開啟，是否設(shè)置增壓預(yù)防裝置，是否設(shè)置防人為惡意開門的裝置等；2）機(jī)構(gòu)的性能參數(shù)要求，如需要轉(zhuǎn)動的角度、平移的距離、手柄力大小和開啟時間等。最大手柄力不大于50 lbf（222 N）；3）艙門的安全性設(shè)計要求，上閂和上鎖邏輯，解鎖和解閂邏輯，作為應(yīng)急門使用的艙門開艙門工作簡單明了，手柄初始運(yùn)動軌跡向上，機(jī)構(gòu)的撓度設(shè)計（過死點(diǎn)設(shè)計）等；4）艙門的人機(jī)工程要求，在手柄的全行程內(nèi)，手柄的高度應(yīng)在門檻上762 mm～1 397 mm；手柄在行程內(nèi)運(yùn)動要求平緩連續(xù)，不得突然改變手柄力的大小與運(yùn)動方向，并且手柄的轉(zhuǎn)動角度不得大于 180°。

2.2 艙門結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

艙門結(jié)構(gòu)方案設(shè)計包括對結(jié)構(gòu)形式的選擇，對不同結(jié)構(gòu)方案的比較與選定，對主要結(jié)構(gòu)的位置和幾何尺寸的綜合協(xié)調(diào)及確定，主要考慮因素：1）艙門按主要材料可分為金屬結(jié)構(gòu)方案和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)方案。目前大多數(shù)運(yùn)輸機(jī)的艙門均采用金屬結(jié)構(gòu)方案，此方案又可分為3種類型：鈑金組合件為主、機(jī)加件為主、整體鑄造；2）橫縱向構(gòu)件布置（平行于框?yàn)闄M向件，垂直于框?yàn)榭v向件），為滿足艙門在強(qiáng)度和剛度方面的要求，艙門結(jié)構(gòu)需要根據(jù)艙門自身尺寸布置若干縱向構(gòu)件和橫向構(gòu)件。

2.3 艙門密封形式定義

艙門密封性是艙門密封結(jié)構(gòu)設(shè)計的各個方面表現(xiàn)出來的一種綜合特性。密封結(jié)構(gòu)形式、密封帶截面尺寸、壓縮量大小、密封帶材料特性和增強(qiáng)織物等直接影響艙門的密封性。

2.4 密封帶選材

適用于艙門密封帶的橡膠材料常用的有以下幾種：硅橡膠、乙丙橡膠、氟硅橡膠、氟橡膠、丁腈橡膠和氯丁橡膠等。

3 詳細(xì)設(shè)計階段

根據(jù)艙門的頂層設(shè)計要求，分別提出各艙門的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)組件的設(shè)計要求；明確艙門選用何種動力源；確定應(yīng)急滑梯包安裝、內(nèi)裝飾布置等；確定艙門的顯示告警形式；開展艙門機(jī)構(gòu)初步運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)仿真分析；開展艙門強(qiáng)度、剛度計算；開展密封條仿真分析；開展各艙門的故障樹分析（FTA），故障模式、影響及危害性分析（FMECA），共因故障分析（CCA）等艙門可靠性、安全性初步分析及維修性初步分析。

3.1 運(yùn)動學(xué)仿真分析

運(yùn)動學(xué)仿真能夠使設(shè)計人員清楚地了解每個構(gòu)件在運(yùn)動過程中與其他構(gòu)件的運(yùn)動間隙、干涉等情況，應(yīng)盡早啟動運(yùn)動學(xué)分析，這樣在機(jī)構(gòu)打樣過程中或更早的時期便可發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動可能存在的干涉或空間不足等問題，在此期間也有必要與其他專業(yè)充分協(xié)調(diào)，避免機(jī)構(gòu)運(yùn)動間隙留的不足。

3.2 動力學(xué)仿真分析

通過建立多體動力學(xué)模型，將艙門機(jī)構(gòu)中各個構(gòu)件通過運(yùn)動副連接起來，確保它們在實(shí)際工況下，眾多構(gòu)件間的相互作用和運(yùn)動關(guān)系與設(shè)計一致，得到各構(gòu)件各環(huán)節(jié)的受力情況，判斷機(jī)構(gòu)原理、交點(diǎn)布置、桿系比例等是否合理。

3.3 密封帶仿真分析

典型的橡膠材料應(yīng)力應(yīng)變特性表現(xiàn)出彈性和高度非線性稱為超彈性。超彈性材料受力時可以保持彈性變形直至大應(yīng)變值。有限元軟件在模擬橡膠等超彈性材料時，一般作如下假定：

材料為彈性。

材料為各向同性。

材料默認(rèn)為不可壓縮。

模擬將包括幾何非線性。

3.4 功能性研發(fā)試驗(yàn)

對于新型、未證實(shí)過的艙門設(shè)計，應(yīng)開展全尺寸的功能性研發(fā)試驗(yàn)，包括密封性能、增壓變形、手柄力、正常開啟關(guān)閉功能、應(yīng)急開啟關(guān)閉功能、飛行鎖系統(tǒng)功能、結(jié)冰開門和淋雨等試驗(yàn)。

3.5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

艙門結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要包括艙門骨架的布置優(yōu)化與零、組件的設(shè)計優(yōu)化。艙門骨架的布置優(yōu)化與艙門尺寸、開啟方式、形式及機(jī)構(gòu)交點(diǎn)的布置關(guān)系密切，在保證機(jī)構(gòu)安裝和必要的強(qiáng)度、剛度的前提下，要盡可能保證設(shè)計簡潔、傳力路線明確。

3.6 機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

艙門機(jī)構(gòu)優(yōu)化一般通過機(jī)構(gòu)交點(diǎn)調(diào)整、載荷元件的變形與預(yù)緊力設(shè)定、運(yùn)動副摩擦力控制、彈簧力與扭矩值的變化，以及艙門安裝精度控制等方面進(jìn)行，通常借助優(yōu)化軟件進(jìn)行多體動力學(xué)仿真分析，得到影響機(jī)構(gòu)特性的關(guān)鍵要素。

3.7 強(qiáng)度、剛度分析

強(qiáng)度分析：根據(jù)艙門結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，應(yīng)主要校核5種結(jié)構(gòu)形式：（1）蒙皮；（2）縱梁、橫梁；（3）典型連接；（4）耳片（5）手柄。

剛度分析：艙門的變形要符合標(biāo)準(zhǔn)，并且與門框的彈性變形基本協(xié)調(diào)。在正常使用過程中，艙門不允許出現(xiàn)永久變形，以便保證密封可靠，機(jī)構(gòu)工作正常。

3.8 安裝與調(diào)整技術(shù)要求編制

編制艙門安裝與調(diào)整技術(shù)要求是艙門設(shè)計工作的延伸，目的是指導(dǎo)工藝、制造部門按照合適的程序和正確的方法將艙門安裝與調(diào)整到位，實(shí)現(xiàn)艙門各項(xiàng)預(yù)定的功能。主要內(nèi)容包括：1）艙門安裝姿態(tài)的調(diào)整方法。2）艙門與口框的間隙、階差的調(diào)整方法。3）艙門機(jī)構(gòu)的調(diào)整方法。4）艙門安裝與調(diào)整后的檢查要求等。

4 結(jié)語

該文主要依據(jù)相關(guān)適航標(biāo)準(zhǔn)，就民用飛機(jī)艙門設(shè)計工作進(jìn)行了梳理，對飛機(jī)總體定義、艙門初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計各階段工作要點(diǎn)進(jìn)行了研究，提供了民用飛機(jī)艙門設(shè)計的工作參考。然而對相關(guān)機(jī)型艙門設(shè)計工作的深入研究仍在繼續(xù)，且國內(nèi)民機(jī)研制工作尚處于不斷探索的過程中，因此結(jié)合艙門設(shè)計工作實(shí)際對于該文所提供的方向進(jìn)行深入研究十分必要，也將作為對該文觀點(diǎn)的驗(yàn)證和完善。