飛機艙門密封系統(tǒng)的仿真分析與優(yōu)化設計

姚文心，徐鳴遙，袁永平

（沈陽航空航天大學 民用航空學院，遼寧 沈陽 110136）

飛機艙門（簡稱艙門）密封系統(tǒng)對飛機的整體性能起著至關重要的作用。目前，飛機的性能飛速提升，而艙門密封的設計仍比較傳統(tǒng)[1-2]，常見的艙門密封系統(tǒng)的結構如圖1所示。因此，艙門密封的設計仍有很大的進步空間，需要不斷地創(chuàng)新。隨著密封形式的不斷發(fā)展完善，艙門密封會變得更加安全可靠、更能滿足時代要求[3-5]。近年來，國內外一些學者對艙門密封系統(tǒng)的結構進行了研究，期望得到更加安全可靠的艙門密封系統(tǒng)。王楠[6]依據(jù)可靠性原理，對艙門密封裝置進行了試驗研究，總結了艙門密封結構參數(shù)對其密封性能的影響。渠濤等[7]研究了在不同條件下，不同截面形狀的艙門密封帶的性能，推薦了不同結構的艙門密封裝置。馬瑩[8]對各種載荷作用下艙門密封結構的位移進行了研究。馬超[9]對艙門密封形式及材料進行了研究。王增輝[10]對艙門密封帶進行了仿真分析，研究了織物材料和艙內增壓對艙門密封帶的壓縮應力和接觸應力的影響。H.YAN等[11]基于多體動力學和彈性理論，建立了增加摩擦載荷的剛柔體模型。B.F.GOULARTE等[12]研究了作用在艙門彈性密封件上的壓力。T.ROMING[13]研究了內外兩層密封結構及降低兩層密封結構間壓力的減壓裝置。

圖1 艙門密封系統(tǒng)的結構示意Fig.1 Structure diagram of sealing system of cabin door

本工作運用Abaqus有限元分析軟件和Solidworks三維建模軟件，對艙門密封系統(tǒng)進行仿真分析，得到其壓縮應力和最大接觸應力；利用數(shù)學主成分分析法對艙門密封系統(tǒng)從結構和材料兩方面進行正交試驗，建立試驗對照組，進行仿真試驗，對比分析艙門密封系統(tǒng)的影響因子對其密封性能的影響程度，并對密封帶進行優(yōu)化設計。

1 三維建模

本工作選取某型號的飛機前貨艙艙門結構作為研究對象[14]，為在有限元分析中既能節(jié)省迭代計算時間，又能保證實際結構不發(fā)生改變，且對分析結論不產(chǎn)生較大的偏差，利用Solidworks軟件建立了艙門、密封帶和機身的三維模型，如圖2所示。

圖2 艙門密封系統(tǒng)的三維模型Fig.2 3D model of sealing system of cabin door

為進一步提高分析效率，對艙門密封系統(tǒng)模型進行了切片簡化處理。

2 有限元仿真分析

2.1 模型分析

艙門密封系統(tǒng)的有限元模型如圖3所示。其中，艙門和機身均為結構鋼材料，彈性模量為70 GPa，泊松比為0.29；密封帶截面形狀均一，內部為空心結構，材料為硅橡膠材料。

圖3 艙門密封系統(tǒng)的有限元模型Fig.3 Finite element model of sealing system of cabin door

在Abaqus軟件中修改模型、定義裝配件及其接觸相互作用、設置載荷和邊界條件，提交有限元分析結果。其中，模型劃分網(wǎng)格為C3D8H單元（八節(jié)點線性六面體單元），具體網(wǎng)格劃分參數(shù)如表1所示[15]。

表1 艙門密封系統(tǒng)的各部件網(wǎng)格劃分參數(shù)Tab.1 Mesh division parameters of components of sealing system of cabin door

2.2 分析結果

計算完成后，先點擊作業(yè)按鈕，再點擊提交求解界面的結果按鈕，進入可視化模塊進行結果查看，得到艙門密封結構的應力云圖和位移云圖，分別如圖4和5所示。

圖4 艙門密封系統(tǒng)的應力云圖Fig.4 Mises nephogram of sealing system of cabin door

圖5 艙門密封系統(tǒng)的位移云圖Fig.5 Displacement nephogram of sealing system of cabin door

3 艙門密封系統(tǒng)的優(yōu)化設計

艙門密封帶的結構和材料（包括橡膠材料和增強織物等）是其密封系統(tǒng)的氣密性的主要影響因素，本工作選取艙門密封帶的結構和材料作為研究對象。借鑒國外艙門密封帶的設計經(jīng)驗（密封帶厚度為0.8～3.0 mm）[13]，本工作取密封帶的厚度為0.8 mm。

3.1 參數(shù)設置

艙門密封系統(tǒng)的設計參數(shù)包括密封帶的截面圓角半徑（因子A）、橡膠材料邵爾A型硬度（因子B）、橡膠材料屬性（因子C）、有無增強織物（因子D）和壓縮位移（因子E）。研究中，在保持艙門密封系統(tǒng)其他參數(shù)不變的情況下，調節(jié)其中一個參數(shù)，觀察其對艙門密封性能的影響。其中，關閉艙門所需的力定義為壓縮應力，其大小決定了關門所需推力的大小；艙門密封系統(tǒng)所能承受的最大接觸應力決定艙門密封系統(tǒng)的密封效果。艙門密封系統(tǒng)承受的壓縮應力越小，關閉艙門所需推力越小；艙門密封系統(tǒng)承受的最大接觸應力越大，艙門密封系統(tǒng)的密封性能越好。

對艙門密封帶的各設計參數(shù)進行有限元仿真分析，得到對應艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力和最大接觸應力數(shù)據(jù)，從而得出優(yōu)化結論。

艙門密封系統(tǒng)的正交試驗設計參數(shù)見表2。

表2 艙門密封系統(tǒng)的正交試驗設計參數(shù)Tab.2 Orthogonal experimental design parameters of sealing system of cabin door

根據(jù)仿真分析結果，提取密封帶的壓縮位移為0.5～5 mm時的艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力和最大接觸應力，分析密封帶內部增強織物及橡膠材料屬性對艙門密封性能的影響；同時提取密封帶的壓縮位移為5 mm時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力和最大接觸應力，分析密封帶的截面圓角半徑及橡膠材料邵爾A型硬度對艙門密封性能的影響。

3.2 優(yōu)化方法

改變密封帶的截面圓角半徑和在密封帶內層加入一層增強織物，研究密封帶結構對艙門密封性能的影響；選擇35U，55U和75U三種牌號硅橡膠材料，研究密封帶的橡膠材料屬性對艙門密封性能的影響；選取10種邵爾A型硬度的硅橡膠材料，分析密封帶的橡膠材料硬度對艙門密封性能的影響。利用Matlab平臺對試驗數(shù)據(jù)進行處理，分析艙門密封系統(tǒng)的影響因子對艙門密封性能的影響程度，并對艙門密封系統(tǒng)進行優(yōu)化。

4 艙門密封系統(tǒng)設計參數(shù)的影響分析

4.1 因子A對艙門密封性能的影響

選擇邵爾A型硬度為70度的35U硅橡膠材料、內部有增強織物的密封帶，改變因子A（分別為2.9，3.1，3.3，3.5，3.7和3.9 mm，對應試驗方案為A1—A6），對密封帶結構進行有限元仿真分析，結果如表3所示。

表3 因子A對艙門密封性能的影響Tab.3 Influence of factor A on sealing performances of cabin doors MPa

從表3可以看出，因子A為3.5 mm時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力最小，最大接觸應力最大，因此因子A為3.5 mm時關閉艙門最省力，且艙門密封效果最好。

4.2 因子D對艙門密封性能的影響

依據(jù)表2的設計參數(shù)，采用縮減有限元仿真模型法，設置試驗組如下：保證因子A（3.5 mm）不變，改變因子C（分別為35U，55U，75U），在內部無增強織物時因子與水平的試驗組合分別為A4C1D2，A4C2D2，A4C3D2，在內部有增強織物時因子與水平的試驗組合分別為A4C1D1，A4C2D1，A4C3D1。進行有限元仿真分析后，得到各試驗組合艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力和最大接觸應力分別如表4和5所示，利用Matlab平臺對試驗數(shù)據(jù)進行可視化處理，各試驗組合艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力和最大接觸應力曲面分別如圖6和7所示。

表4 各試驗組合艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力分析結果Tab.4 Compression stress analysis results of sealing systems of cabin doors for various experimental combinations MPa

表5 各試驗組合艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應力分析結果Tab.5 Maximum contact stress analysis results of sealing systems of cabin doors for various experimental combinations MPa

圖6 各試驗組合艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力曲面Fig.6 Compression stress surfaces of sealing systems of cabin doors for various experimental combinations

從圖6可以看出：艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力存在兩個曲面，上曲面為密封帶內部有增強織物時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力，下曲面為密封帶內部無增強織物時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力；與密封帶內部無增強織物時艙門密封系統(tǒng)相比，密封帶內部有增強織物時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力較大，故密封帶內部有增強織物時艙門密封系統(tǒng)的關門力有所增大；隨著密封帶壓縮位移的增大，上下兩曲面逐漸靠近，呈相合趨勢，故密封帶內部是否有增強織物對艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力影響很小，因此密封帶的結構優(yōu)化時內部是否增加增強織物以其最大接觸應力結果為準。

從圖7可以看出：艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應力存在兩個曲面，上曲面為密封帶內部有增強織物時艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應力，下曲面為密封帶內部無增強織物時艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應力；與密封帶內部無增強織物時艙門密封系統(tǒng)相比，密封帶內部有增強織物時艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應力明顯增大，使得艙門密封性能有所提升。

圖7 各試驗組合艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應力曲面Fig.7 Maximum contact stress surfaces of sealing systems of cabin doors for various experimental combinations

密封帶內部有增強織物使艙門密封系統(tǒng)所受的壓縮應力有所增大，但由于影響較小，可以忽略不計。與密封帶內部無增強織物相比，密封帶內部有增強織物對艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應力影響較大，艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應力明顯增大，密封性能顯著提升，故密封帶應采用內部有增強織物的優(yōu)化設計。

4.3 因子C對艙門密封性能的影響

利用Matlab平臺對表4和5中的數(shù)據(jù)進行精細化處理，因子C對艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力和最大接觸應力的影響分別如圖8和9所示，其中35U＋ZC表示密封帶為35U硅橡膠材料、內部有增強織物，其余類同。

圖8 因子C對艙門密封系統(tǒng)壓縮應力的影響Fig.8 Influence of factor C on compression stresses of sealing systems of cabin doors

從圖8可以看出：艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力隨著密封帶的壓縮位移的增大而增大；密封帶內部有增強織物時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力最大的試驗組合為C3D1，最小的試驗組合為C1D1，即密封帶內部有增強織物并采用35U硅橡膠材料時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力最小。

從圖9可以看出：艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應力隨著密封帶的壓縮位移的增大而增大；密封帶內部有增強織物時艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應力最大的試驗組合為C3D1，最小的試驗組合為C1D1，即密封帶內部有增強織物并采用75U硅橡膠材料時艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應力最大。

圖9 因子C對艙門密封系統(tǒng)最大接觸應力的影響Fig.9 Influence of factor C on maximum contact stresses of sealing systems of cabin doors

綜上可知，在密封帶內部有增強織物并采用35U硅橡膠材料時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力最小，而密封帶內部有增強織物并采用75U硅橡膠材料時艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應力最大，考慮艙門壓力與密封效果的共同要求，密封帶采用55U硅橡膠材料。

4.4 因子A和B綜合分析

將各因子整合進行分析，在密封帶內部有增強織物條件下，改變因子A和B對艙門密封系統(tǒng)進行有限元仿真分析。因子A和B對艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力曲面和最大接觸應力曲面的影響分別如圖10和11所示。

圖10 因子A和B對艙門密封系統(tǒng)壓縮應力曲面的影響Fig.10 Influence of A and B factors on compression stress surface of sealing system of cabin door

從圖10可以看出：曲面顏色隨著密封帶的硅橡膠材料邵爾A型硬度的增大而逐漸變淺，代表艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力隨著密封帶的硅橡膠材料邵爾A型硬度的增大而逐漸增大；曲面顏色隨著密封帶的截面圓角半徑的變化而變化不明顯，但密封帶的截面圓角半徑為3.5 mm時曲面顏色最深，代表密封帶的截面圓角半徑為3.5 mm時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力最小。

從圖11可以看出：曲面顏色隨密封帶的硅橡膠材料邵爾A型硬度的增大而逐漸變淺，代表艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應力隨著密封帶的硅橡膠材料邵爾A型硬度的增大而逐漸增大；隨著密封帶的截面圓角半徑變化，曲面顏色變化不一，但密封帶的截面圓角半徑為3.5 mm時艙門密封系統(tǒng)的最大接觸應力最大。

圖11 因子A和B對艙門密封系統(tǒng)最大接觸應力曲面的影響Fig.11 Influence of A and B factors on maximum contact stress surface of sealing system of cabin door

綜上可知，隨著密封帶的硅橡膠材料邵爾A型硬度的增大，艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力和最大接觸應力均增大，兼顧艙門密封系統(tǒng)的關門力和密封效果，本工作選擇密封帶的硅橡膠材料的邵爾A型硬度為50度。在密封帶的截面圓角半徑為3.5 mm時艙門密封系統(tǒng)的壓縮應力最小，最大接觸應力最大，故密封帶的最佳截面圓角半徑為3.5 mm。

優(yōu)化后艙門密封系統(tǒng)的三維模型及應力云圖分別如圖12和13所示。

圖12 優(yōu)化后艙門密封系統(tǒng)的三維模型Fig.12 3D model of optimized sealing system of cabin door

圖13 優(yōu)化后艙門密封系統(tǒng)的應力云圖Fig.13 Mises nephogram of optimized sealing system of cabin door

5 結論

本工作利用Abaqus軟件對艙門密封系統(tǒng)進行仿真分析，運用Matlab平臺對試驗數(shù)據(jù)進行處理、繪出圖像，分析密封帶的截面圓角半徑、橡膠材料硬度和屬性以及內部增強織物對艙門密封性能的影響，結果得出當密封帶的截面圓角半徑為3.5 mm、采用邵爾A型硬度為50度的55U硅橡膠材料、內部有增強織物時，艙門密封系統(tǒng)的密封性能最優(yōu)。