民用飞机舱门口框概念设计分析

陈勇哲

摘 要：文章概述了民用飞机舱门开口对机身总体受力系统的影响及如何对开口补强设计，以及对关键重要件的选材和制造方法的选用。

关键词：半硬壳式结构；“堵塞式”舱门设计；分析

引言

现代飞机的机身是一种加强的壳体，这种壳体通常称为“半硬壳式结构”。其由纵向元件（如桁梁与长桁）、横向元件（如普通隔框可加强隔框）以及外蒙皮构成。桁梁承受机身大部分弯矩以及弯矩所引起的轴向力，机身蒙皮承受横向外载荷与扭矩引起的剪切力以及座舱增压载荷。

但是民用飞机必须有旅客出入的门，以及搬运食品的服务门，和危急情况旅客能迅速离开飞机的应急舱门。这些舱门开口部位通常都位于结构高载荷区域，开口切断了半硬壳式机身的总体传力构件，导致开口部位出现严重的应力集中。由于现代民用飞机适航条例要求，在各种情况下用于旅客进出的所有舱门要能够迅速打开，同时保证飞机增压舱的安全，所以飞机舱门多采用从里向外关闭的“堵塞式”设计。这种关闭方式设计的舱门只承受舱压引起的环向张力，而机身上的大部分拉伸和剪切载荷仍要由舱门周围结构承担。

本文从分析飞机机身开口对机身载荷传递的影响，提出如何在开口周围布置额外的加强结构来承受这些载荷。

1 机身开口对总体受力系统影响分析

根据机身总体受力系统的传力状态及舱门的关闭方式来分析开口处重新分布的载荷。先分别考虑每一种情况，然后再把各种情况结合起来考虑，以便拟定每一构件最危险的设计情况。

情况Ⅰ机身蒙皮剪力-考虑各种飞行条件；

情况Ⅱ截断长桁载荷-考虑各种飞行条件；

（1）情况Ⅰ机身蒙皮剪力-考虑各种飞行条件

a.无开口时蒙皮剪流分布状态；

b.在开口处施加一大小相等方向相反的剪流，并将剪流增量（带△的剪流）分配给周围各板；

（2）情况Ⅱ截断长桁载荷-考虑各种飞行条件

这里考虑的是由开口前、后两边的断长桁所引起的蒙皮上的附加剪流。

假设四个角无约束，断长桁的载荷沿开口两侧向口框梁（上述情况Ⅰ设定）扩散。

2 开口加强结构方案的确定

2.1 人员出入的舱門开口加强结构设计

堵塞式登机门、服务门及应急舱门开口通常长宽比大约是l/h<0.6。舱门为侧开式。开口切断了机身的总体传力系统，要满足适航关于这种舱门要能迅速打开，舱门只承受舱压引起的环向张力，而机身上的大部分拉伸和剪切载荷仍要由舱门周围结构承担的规定，将对被破坏的结构按静强度、耐久性设计原则和破损-安全理论对其进行补强设计布局。

上述几种重分布的载荷叠加作用，这样可以得出，由于开口的原因使局部剪流加大，为平衡开口边缘剪流同时承载加大区域的剪流，要在开口的上、下，前、后分别布置薄壁组合梁、框，组合梁自开口边缘前、后延伸段约为开口高度的0.5倍。在开口区域蒙皮内、外侧铺设铝合金加强板。此外，还在开口周边框上设置传递门上气密载荷的止动挡块及加强肋。

由于开口尺寸相对较大，在机身总体受力状态下，开口区域存在撕裂扭力。为平衡扭力同时满足破损-安全设计原则，要把开口加强结构布置成盒式结构。从登机门和服务门及应急门的总体布置图可知，在开口边缘框前、后邻近处布置有机身隔框，因此可将边缘框左、右侧的加强肋按断开的长桁的格局进行布置同时连接到邻近的隔框上，这样既可将边缘框与邻近隔框连接成盒段，同时又替代长桁传力和支撑蒙皮。在开口区上、下区域机身纵向只布置有长桁，由于长桁相对较弱，所以要在相应位置截断长桁，局部加强布置成桁梁结构与边缘梁及边缘框组成盒段结构。为保证四角在扭力作用下，降低局部剪切应力水平同时增强边缘框、梁抗扭能力，要在边缘框、梁连接处内、外侧布置搭接板，这样边缘框、梁及蒙皮、搭接板也组合成盒式结构。这种单框双梁式设计结构简单，传力路线清晰，同一构件避免复合受力体现了耐久性设计原则；同时也符合等强度理论原则和破损-安全设计理论。

2.2 货舱门开口加强结构设计

货舱门开口长宽比通常为l/h>1。货舱门开口跨度过大，机身总体受力时，在开口区域有很大的扭力出现，利用邻近隔框承担载荷难以达到理想效果，因此对货舱开口要加设辅助框，由辅助框与主框组成盒段结构承载扭力。由于舱门跨度尺寸大，且处于机身双曲度位置，若采用侧开方式，舱门打开会与机身发生干涉碰撞，导致无法将门开大，影响货物装卸。因此可考虑采用向上外翻式开启方式，在上主梁上设置悬挂铰链接头，下主梁设置液压锁扣。其他可与人员出入舱门口框结构类似。

3 材料及制造工艺的选用

根据民用飞机材料选用原则，在增压舱区域蒙皮类零件应选用抗疲劳性能好，裂纹扩展速率低的2000系列材料，常用的有2024及铝锂合金2198；而需要静强度高，承受高应力的零件应选用7000系列材料。

在这里推荐选用：

蒙皮及加强板：铝锂合金2198钣金成型；

热处理状态：T8；

表面处理：铬酸阳极化；

梁、框及加强肋、止动挡块、铰链接头：铝合金7475机加成形；

热处理状态：T7351；

表面处理：铬酸阳极化。

4 结束语

经过上述对机身开口处载荷的再分布状态的分析，拟定了舱门口框加强结构的初步布局格式及材料和制造工艺的选用。此构型得到了加拿大庞巴迪公司C系列飞机相关部位设计的实际论证。近几十年来，随着冶金材料及制造工艺水平的提高，计算机三维设计、计算模拟分析的应用，民用飞机机体设计的能力得到了很大的改进和提升。现代民用飞机更安全、舒适、高效、经济。

参考文献

[1]牛春匀.实用飞机结构工程设计[M].北京：航空工业出版社，2008，

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