民用飞机机身门框设计研究

（上海飞机设计研究院结构设计研究部，上海201210）

在民用飞机设计中，由于适航及功能需要，机身上不同部位布置有一定数量不同大小、形状、功能和承载方式的舱门，如登机门、服务门、货舱门、应急舱门、起落架舱门等，这样不可避免需要在机身上开口，这些舱门开口通常在机身的重要承载部位[1]。

机身开口后会导致机体结构的不连续，从而导致应力集中、参差弯曲等问题，周围的载荷重新分配，因此需要对舱门开口进行加强，以承受开口周围的载荷，在舱门开口周边均布置了门框加强结构[2]。

门框的方案布局除了要考虑门框不同方案的承载特性外，还要考虑舱门开口处机身总体受载特点，尤其是总体弯矩引起的长桁轴力分布特点，以及舱门的特点如舱门的类型、打开方式、连接结构以及舱门的承载情况。此外，还应考虑门框与舱门的刚度匹配问题。

从提高结构的材料利用率，从而减轻重量的角度来看，舱门最好都设计成能够传递机身总体载荷的受力舱门，但为了满足适航要求往往做不到这一点。尤其是登机门和应急门，必须设计成能够快速方便的打开，一般设计成不参与机身总体受力形式。民用飞机货舱门往往没有快速打开的要求，在满足适航要求的前提下，可设计成剪力式舱门结构，参与机身总体剪力的传递。

本文介绍了几种机身开口加强门框的结构形式和特点，并以某型号飞机后登机门框为例，介绍了其结构特点，为民用飞机大开口加强和门框结构设计提供了一定借鉴意义。

1 门框结构形式对比

根据门框结构方案的不同，一般可分为井字形围框、双框井字形围框、混合型围框等加强方式。

1.1 井字形围框结构

井字形围框结构特点是在开口周边布置一圈加强构件（前、后加强边框和上、下槛梁），而不再布置其他加强构件，典型的井字形围框结构如图1所示。

图1井字形围框结构

传力分析：

（1）开口引起的附加剪流由开口周围加强蒙皮传递；（2）打断长桁轴力和蒙皮张力，由蒙皮以剪流形式传递到槛梁和边框上；（3）蒙皮剪流引起的附加弯矩由边框和邻接框、槛梁和逐步参与的纵向桁条的反向轴力平衡。

对于本身布置有很多纵向桁条，刚度要求不苛刻，且舱门不参与机身总体载荷传递的结构，开口可以采用井字形围框加强结构。

1.2 双框井字形围框结构

双框井字形围框结构特点是在井字形围框的周边再加一圈杆件加强构件（前、后邻接框和上、下辅助槛梁），形成内外两圈加强结构，典型的双框井字形围框结构如图2所示。

图2双框井字形围框结构

传力分析：

（1）开口引起的附加剪流由开口四边格子内的加强蒙皮传递；（2）断长桁轴力和蒙皮张力由蒙皮以剪流形式传递到主槛梁和边框上；（3）蒙皮剪流引起的附加弯矩由边框和邻接框、主槛梁和辅助槛梁的反向轴力平衡（受影响区蒙皮和长桁的承受正应力按等惯性矩原则折算到槛梁上）。

对于受载情况复杂、结构纵向桁条较少或者刚度要求较为苛刻的结构，开口可采用双框井字形围框加强结构。

1.3 混合型围框结构

混合型围框结构特点是在井字形围框的周边根据需要在局部加些杆件，形成不封闭的外框，典型的混合型围框结构如图3所示。

图3混合型围框结构

混合型围框兼具井字形围框和双框井字形围框的传力特点。对于门框局部受载较大、舱门连接需要布置辅助构件等情况，可以采用混合型围框结构。

三种门框的特点如表1所示。

表1三种门框形式的特点

2 某型号飞机后登机门结构分析

2.1 要求和功能

门框的方案布局不仅要考虑舱门开口处机身总体受载特点，尤其是总体弯矩引起的长桁轴力分布特点，以及舱门的类型、打开方式、连接结构以及舱门的承载情况等，还应考虑门框与舱门的刚度匹配问题。

根据 25.305条载荷与变形要求及25.783条舱门要求，零部件不应在设计应力下发生永久变形，且开口周边结构（即门框）应具有足够的刚度以避免因机身变形而将舱门卡死。

通常情况，民用飞机登机门门框结构设计须完成以下功能和目标：

（1）承受并传递飞机使用中的各种机动、着陆、增压载荷；（2）保证登机门安装及正常开启与关闭；（3）结构可以工作在温度为－55℃～54.5℃环境下；（4）结构应能防雨水、冰雹，保证沙尘不侵蚀舱内；（5）为各种系统、电器设备及内装饰提供安装位置和支持；（6）满足气密、防腐蚀密封和排水要求；（7）有足够的空中和地面维护检查操作通道等；（8）满足闪电防护要求。

2.2 后登机门门框结构

后登机门门框结构主要由化铣加强蒙皮、加强垫板、前边框、后边框、上主槛梁、上辅助槛梁、下槛梁、纵向加强件组成，这些加强件与前、后邻接框以及下槛梁下方长桁一起构成混合型围框主传力结构，见图4。

图4后登机门框结构

主要构件布置如下：前边框布置在开口前的框位，后边缘框布置在开口后的框位，上主槛梁布置在开口上的长桁处，上辅助槛梁布置在主槛梁上2个桁距处，下主槛梁布置在客舱地板平面与机身壁板交线处，为客舱地板边梁的一部分，以综合利用结构，减轻重量；纵向加强隔板沿登机门触点给定平面布置；加强垫板布置在蒙皮开口四角的内表面。上、下槛梁自蒙皮开口边缘向前、后延伸至邻接框，约0.5倍开口宽度；前、后边框自开口边缘向上、下延伸至蒙皮搭接处。前、后边框和上、下槛梁尽量靠近蒙皮开口边缘，主传力构件边框保持完整，槛梁在边框处分段。

门框的“井”字形加强构件，纵向布置为2根加强的组合上纵梁、2根加强的组合下纵梁，前、后边框，纵、横向加强件构成的“井”字形围框，对限制开口的变形提供充分的刚度支持。按门的悬挂支点、止动件、锁槽的相关位置，布置六根纵向加强件。为加强门框结构的刚度，降低十字交汇区域的应力，前后两端框、纵向加强件和上下纵梁蒙皮均保持有相当的厚度，在内侧也设置有一定厚度的加强连接板。

2.2.1 蒙皮和加强垫板

蒙皮范围在分成前、后两块，通过对接带板连接。蒙皮根据载荷分布情况采用变厚度多级机加。在蒙皮搭接处带有钛合金止裂带及铝合金楔形垫片。蒙皮开口四角是DFR（细节疲劳额定值）较高部位，故在四角处有较大范围的加厚，并且在内表面加了一层加强垫板。

2.2.2 边框

边框采用铝合金厚板机加，“［”型剖面，前边框向前弯，后边框向后弯，中间布置有加强筋与纵向加强件连接，边框上布置了密封挡块和止动件。

2.2.3 上槛梁

上槛梁处需安装舱门导向机构支座，为保证舱门的正常开启，确保登机门门框的功能，上槛梁由上主槛梁、上辅助槛梁、蒙皮及上盖板组合成盒形梁，以提供较大的刚度支持，保证变形要求。上主槛梁由门楣和延伸段构成，上辅助槛梁分为3段。

2.2.4 下槛梁

下主槛梁位于地板长桁，由三段组成：门槛和前、后两块剪切板。门槛采用铝合金厚板机加而成，将开口区域的地板长桁、客舱地板边界梁、剪切板组合成一个盒形零件。前、后剪切板连接地板长桁和客舱地板边界梁，为铝合金板材。

2.2.5 纵向加强件

为平衡舱门传递给边框的压差载荷，在边框处布置有纵向加强隔板，以提高舱门刚度。根据登机门止动点位置布置纵向加强件，尽量使其与长桁轴线重合。纵向加强件布置在边框与邻接框之间，为铝合金板材。

2.2.6 与舱门的连接

后登机门通过铰链支臂连接在边框上的两个铰链接头上，止动接头的布置与长桁的布置尽可能相对应，以便通过长桁传递止动接头的载荷,剪切载荷通过纵向加强件传递。

2.2.7 防腐和气密

为防止雨水渗入登机门内，在后登机门开口上方布置有排水槽，防止雨水渗入造成结构腐蚀，提高机体使用寿命。在舱门开口下方蒙皮外表面安装合金钢防磨板，防止蒙皮及下主槛梁被磨损，保护主要构件。防磨板拆装简单维修方便。

机身门框与登机门之间的气密是由连接在门框周边的密封挡件和登机门上的充气式橡胶密封件压紧配合实现的，与上下槛梁和边框相连。

3 结束语

民用飞机机身开口加强门框设计是飞机设计的难点之一，本文首先对比分析了几种机身开口加强门框结构特点、传力分析等，并以某型号飞机后登机门框为例，详细分析了其结构设计特点，对民用飞机门框结构设计提供了一定参考依据和借鉴意义。

[1]牛春匀.实用飞机结构工程设计[M].程小全，译.北京：航空工业出版社，2005.

[2]《飞机设计手册》总编委会.飞机结构设计手册[M].北京：航空工业出版社，1997.