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舱门结构设计气密性优化措施

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摘要:飞机舱门的密封是阻止机舱内漏气或者失压的重要方法和手段,舱门结构的气密性优劣程度直接影响着飞机飞行安全。在某种程度上,舱门结构优化设计与密封设计关系紧密,同时舱门密封设计已成为飞机密封设计的关键组成部分,涉及舱门密封性能的因素有许多,主要有舱门与门框结构强度刚性,以及结构密封形式及制造装配精度等。本文通过建立有限元模型,分析门体周围刚度匹配对气密性的影响,并对选用的舱门密封组件进行气密对比试验,研究舱门气密优化的方法。

关键词:舱门;密封;刚度;对比试验

1引言

舱门设计是当今飞机设计重点之一,传统设计的方法及流程,无论从资金投入还是试验研发等方面已不能适应现代飞机的设计发展趋势,也会影响飞机研制的整个周期及后期使用寿命。随着计算机辅助设计技术的快速发展,飞机结构优化设计手段和水平也在不断改进及提升。

2舱门密封形式

舱门密封形式按其结构形式及密封原理主要分为充气管密封、空心管形压缩密封、脚形压缩密封、隔膜压缩密封和包覆填充物压缩密封等。

2.1充气管密封

充气管密封带一般由中空的橡胶密封带、内部复合织物、充气嘴组成。充气式橡胶密封带是利用中空全封闭的腔体充满气体,利用气体产生的膨胀压力,实现橡胶面与门体的接触密封,密封的断面为中空的全封闭结构。充气管密封的优点如下:a)密封性非常好;b)对舱门变形的补偿性较好;c)手动操作的舱门对其操作力无影响;d)充气管密封件具有一定自我保护作用。充气管密封的缺点如下:a)密封带成本相对较高;b)密封带需要较高的疲劳寿命;c)需要压缩空气源及充气、泄气控制系统;d)破损后气密性下降极为严重;e)缺陷扩散速度非常快;f)需要在舱门上设置额外的排水或水密系统;g) 关闭舱门时有一定的噪声及冲击。

2.2空心管密封

空心管形压缩密封带通常安装在舱门四周,当舱门关闭时,通过门框结构压缩空心管密封带,产生一定的压缩量,达到气密、水密要求。一般在空心管密封带四周开有若干通气孔,当舱内增压时,高压气体进入空心管密封带内部,进一步增大密封带与门框结构间的压缩力,从而提高空心管密封带气密性。空心管形压缩密封的优点如下:a)密封带成本较低;b)应用较为广泛;c)重量较轻;d)破损对其气密性影响较小;e)维护性好。空心管形压缩密封的缺点如下:a)气密性一般;b)气密性对舱门与门框刚度依赖性较大;c)对舱门的手动操作力影响较大。

2.3脚形压缩密封

脚形压缩密封带通常安装在舱门四周,当舱门关闭时,通过门框结构贴压脚形密封带,达到气密、水密要求。当舱内增压时,在舱内高压气体作用下,使密封带进一步压紧门框,提高气密性。脚形压缩密封的优点如下:a)对舱门的手动操作力影响较小;b)维护性好;c)能补偿一定量的舱门变形。脚形压缩密封的缺点如下:a)气密性较差;b)边缘易损坏;c)边缘易出现翘起,引起泄漏。

2.4隔膜压缩密封

隔膜密封结构通常由两面包覆织物的橡胶板、固定压条、挤压条组成。橡胶板通过固定压条安装于舱门四周。舱门关闭时,通过安装在门框上的挤压条紧压胶板表面达到水密。当舱内增压时,通过橡胶板两侧压力差,进一步压紧胶板,达到气密。隔膜压缩密封的优点如下:a) 密封带成本非常低。隔膜密封采用双面复合织物的橡胶板制成,无需额外模具成形,通常采用挤压工艺,量产率高;b)对舱门变形的补偿性较好。隔膜密封件通过胶板两侧形成的压差,提高压紧压条的密封压缩力,能补偿舱门变形与门框变形不匹配带来的密封间隙增大问题;c) 对舱门的手动操作力影响较小。当舱门关闭时,隔膜密封件对门框的压缩载荷较小,因此对舱门手动操作力影响较小;d) 能密封较大的间隙。因结构形式限制,舱门与门框密封间隙较大时,采用隔膜密封形式能起到良好密封效果。隔膜压缩密封的缺点如下:a) 使用维护性较差。隔膜密封件通过固定压条连接于舱门四周,安装时需采用紧固件连接,还需将密封件绷紧,安装、更换相对复杂;b) 缺陷扩散速度非常快。当隔膜密封件有较小的缺陷,如意外破损时,因其内部存在高压气体作用,使其破损扩展速度非常快;c) 沿复杂曲面安装复杂。隔膜密封件安装时,需将胶板绷紧,消除褶皱,因此在复杂曲面上安装时非常复杂;d) 易损坏。当舱门打开时,隔膜密封件的大量表面暴露于舱门四周,极易产生破损。

2.5包覆填充物压缩密封

包覆填充物压缩密封通常由橡胶皮,发泡橡胶填充物、固定压条、挤压条组成。橡胶皮将发泡橡胶填充物包覆起来,并通过固定压条安装于舱门四周,当舱门关闭时,安装于门框上的挤压条压紧包覆的橡胶填充物,从而达到气密、水密的效果。包覆填充物压缩密封的优点如下:a) 能密封较大的间隙。因结构形式限制,舱门与门框密封间隙较大时,采用包覆填充物压缩密封形式能起到良好密封效果;b) 对舱门的手动操作力影响较小。当舱门关闭时,密封件对门框的压缩载荷较小,因此对舱门手动操作力影响较小。包覆填充物压缩密封的缺点如下:a) 使用维护性较差。包覆填充物密封件通过固定压条连接与舱门四周,安装时需采用紧固件连接,还需将密封件绷紧,安装、更换相对复杂;b) 沿复杂曲面安装难度大。包覆填充物密封件安装时,需将胶板绷紧,消除褶皱,因此在复杂曲面上安装时难度较大。

3舱门有限元计算

3.1有限元模型

建立有限元模型,网格划分采用HyperMesh模块完成,主体结构中框、蒙皮、长桁垫片、密封件及其连接件均离散为壳单元,接头及厚板件采用六面体单元,标准件(如:螺栓、螺帽、铆钉等)的连接则采用1维焊点单元(CWELD)。

3.2边界条件

舱门在关闭时,主要考虑结构的刚度及气密性要求,在此工况载荷下,门体结构上气密载荷由梁的拉压及蒙皮环向拉伸承担,然后通过梁接头传递到门体上,并扩散至机身。此外,门体区域同时也承受气密工况载荷。气密载荷施加于蒙皮及门体外蒙皮上,载荷示意图见图1。

3.3变形分析
对舱门的结构在气密工况下的受力进行分析。气密载荷工况下舱门和门框的变形云图,见如图2。在图2中,A、B、C和D分别代表舱门的顶部、底部、前侧以及后侧位置点,计算得到舱门与门框受载变形的差值,数据具体见表1。
3.4分析结论

根据计算数据可以看出,门体顶部与门框之间的变形差值较大,门体底部与门框之间的变形差值次之,但舱门底部是通过密封带短边与门框的干涉起密封作用的,飞机增压时,短边会膨胀增长,有利于对刚度匹配差值进行补偿,而且变形后会与门框的贴合的更紧,因此密封效果较好。舱门顶部是通过密封带长边与门框的干涉起密封作用的,飞机增压时,由于长边刚性弱因此会变形收缩,进而会减少与门框的干涉量,对舱门密封是不利的,因在顶部与底部的刚度匹配差值较为接近的情况下,舱门底部气密带变形有利于密封,因而底部的密封性能要比顶部好;而舱门前侧和后侧与门框之间密封形式与底部相同,都是由密封带短边的膨胀变形来进行补偿,变形差值最小且两侧基本相当,密封效果也最好。

4舱门气密试验论证

4.1试验过程

在舱门处于完全关闭状态下,将位移传感器按照测点位置安装到位并保证位移传感器测量杆与所测测点垂直,如图3所示。充压载荷采用分级充压:0.00MPa—0.01MPa—0.02MPa—0.03MPa—0.04MPa—0.05MPa—0.06MPa—0.00MPa。

4.2试验数据

在每级压力下记录位移传感器读数以及观察舱段整体是否稳定,对舱门泄漏情况进行记录。冲压过程中舱门各测量点变形量曲线见图4,试验过程中,舱体稳定,无异响,舱门变形量满足要求,舱门的刚度和气密性均满足设计要求。

5结论

通过有限元分析和试验验证,利用关键设计载荷下的线性静力学研究与分析,获得舱门在关键设计载荷工况下的力学行为,对舱门研制过程中的关键技术进行了分析研究,优化了结构设计流程,解决了传统整体仿真模型无法适用结构细节设计的问题,有效减少了研制阶段的资金投入及设计反复更改,提高了舱门结构设计的整体水平,大大缩短了舱门的研制周期。

参考文献:

[1]渠涛.舱门密封件设计[J].科技视界,2015(28).

[2]马莹.飞机舱门密封设计研究[J].价值工程,2011(28).

[3]张浩,冯蕴雯,薛小锋.基于气密载荷作用的飞机舱门可靠性分析[J].航空计算技术,2012(01).

[4]陈付奎,张惠兵.浅谈飞机舱门的密封[J].山东工业技术,2013(12).

作者:霍文辉 单位:中航飞机股份有限公司

舱门结构设计气密性优化措施责任编辑:张雨    阅读:人次