基于有限元法的飞机舱门结构仿真技术

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摘要：文章对典型飞机舱门结构的有限元仿真技术进行了研究，使用MSC.PATRAN软件建立了典型舱门主承力结构的有限元模型，并用MD.NASTRAN软件进行了计算。文章包括舱门结构简介、主结构受力情况分析、模型简化、载荷和边界条件的施加、各类计算工况的定义与处理方法、特殊单元的原理与应用等。

关键词：飞机舱门；有限元；结构仿真技术；PATRAN；模型简化；特殊单元

中图分类号：TM273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）07-

1 问题提出

飞机舱门是飞机上的运动功能部件，它的功能、使用寿命、安全性、维修性和可靠性，直接关系到飞机的出勤率和人员及货物的进出安全。若设计太弱，飞机在高空飞行时，可能发生舱门的意外打开，将造成压力舱泄压，同时，严重影响飞行姿态，改变气动特性，严重时还会造成飞机坠落解体；若设计过强，则会导致结构增重，影响飞机的经济性。因此，先进的结构仿真技术应运而生。运用结构仿真技术，可以准确分析结构每一部位的受力大小，从而对结构进行优化设计，既保证了安全性，又减轻了不必要的重量。下面，本文结合一个典型的舱门结构阐述这一技术的应用。

2 舱门结构简介

如图1所示，舱门主承力结构分类及功能如下：

（1）一张外蒙皮：用于承受内外压差载荷，并将载荷传递到连接的框、梁上。

（2）钣金或机加的框：如图中纵向结构件，承受蒙皮传来的剪力，也可以承受弯矩，并将载荷传递到横梁上。

（3）辅框：用于安装机构件，并能在主承力件发生破损时将载荷分散传递。

（4）机加的横梁：舱门的重要承力件，主要承受弯曲载荷，通过它将载荷传到挡块。

（5）上下端的小梁：增加局部刚度，缓解应力梯度变化，承受边缘蒙皮所受载荷。

（6）框、梁连接角片：将断开的框缘条连接起来，保持缘条传力连续，并将载荷传递到梁缘条上。

（7）挡块：用于承受整个舱门的载荷，通过接触的机身挡块传递到机身上，实现载荷平衡。

（8）导轮：主要用于导引运动，同时还可以像挡块那样承力（视设计要求）。

3 有限元法介绍

有限元法是结构分析的重要手段，冲破了传统工程梁理论采用平剖面假设的束缚，提高了复杂结构应力分析的精度。建立有限元仿真模型是应力分析的基础，要获得接近真实情况的应力分布，必须简化出好的计算模型。使用有限元仿真技术，可以增加产品和工程的可靠性；在产品的设计阶段发现潜在的问题；经过分析计算，优化设计，降低成本；缩短产品投向市场的时间；模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费。

3.1 通用简化原则

在采用有限元素法进行结构分析时十分注重模型简化、元素类型选择、元素连接及边界条件模拟等工作，这就要求把工程概念和有限元技术很好地结合起来。经验表明，有限元建模应遵循的一般准则是：构件的取舍不应改变传力路线；网格划分应适应应力梯度的变化，以保证数值解的收敛；元素的选取能代表结构中相应部位的真实应力状态；元素的选取应反映节点位移的真实（连续或不连续）情况；元素的参数应保证刚度等效；边界约束的处理应符合结构真实支持状态；集中质量的应满足质量、质心、惯性矩及惯性积的等效要求；载荷的简化不应跨越主要承力构件。

3.2 特殊单元简介

在舱门有限元建模过程中大部分单元类型都是常用的，如CROD杆元、CQUAD板元、CTRIA3板元和CBAR梁元等。但是也存在一些特殊结构、特殊的受力形式和特殊的研究目的所必须使用的一些特殊单元，主要有BUSH单元、RBE2单元和RBE3单元等。下面就针对这几种特殊单元做一简介。

BUSH单元：在给它赋属性之前，它只是一些普通的杆（节点重合，没有长度），但是通过一系列的属性参数定义之后，它就成为了一个联结两个结构的复杂的弹簧-阻尼器系统。BUSH单元有6个不同自由度上的弹簧刚度系数和阻尼系数，它可以传递6个自由度上的载荷。

RBE2单元：用来描述非常刚硬的结构。作为一个十分简便的工具，其可将相同的单元刚性地连接在一起。使用RBE2单元时，只能指定一个主节点。

RBE3单元：RBE3单元在分配载荷（力和力矩）方面是一个强有力的工具，主要应用于载荷施加、不同类型单元之间的连接。在本文建模中，通过RBE3施加载荷，实现了采用在一个点加载，将载荷传到周围节点上的功能。

4 建立舱门有限元模型

4.1 蒙皮

舱门蒙皮简化成CQUAD板元，具有弯曲属性，厚度赋实际厚度。此类单元的计算结果可以得到拉力、压力、剪流等相关数据。蒙皮的凸台减去蒙皮厚度后，承受张力，故简化成CROD杆元。

4.2 舱门框、梁

舱门框、梁用板杆结构进行简化。与蒙皮相连的外缘条用于承受蒙皮的剪流，为轴线方向，简化成CROD杆元，赋缘条的实际面积。腹板简化成CQUAD板元，厚度取实际厚度，如有开口，则取当量厚度。内缘条（远离蒙皮的一端）主要承压，加之框缘条为偏心结构，故简化为CBAR梁元，赋实际属性，设置偏心值。同时为了表征内缘条的正应力和轴力，建立一个虚杆元，面积赋0.001。

4.3 舱门挡块和导轮

在舱门结构中，挡块和导轮是两个很重要的部件，挡块起到了限制门的位置并传递载荷的作用。导轮除了起门提升时的导向作用外，基于不同的设计要求，还可以作为破损挡块来承担载荷。所有的挡块和导轮都需要建立一个单独的局部坐标系来定义其刚度方向。由于挡块和导轮的刚度相对于相连的边框（横梁）非常大，故采用RBE2刚性单元进行模拟，固定6个方向的自由度。舱门挡块与机身挡块的接触，采用BUSH单元进行模拟。在初期设计中，可以采取大刚度以求保守。

4.4 舱门开口

舱门上的开口主要有三处，分别是观察窗、通风口和手柄盒。手柄盒处有结构件密封，可按正常简化方法进行建模。对于观察窗，窗玻璃通过密封设计压在窗框上，窗框与周围区域的蒙皮通过铆钉相连。这种结构形式的载荷传递不直接，只能通过玻璃承受压差，传递给窗框，再传递到蒙皮。由于玻璃不能独立承载，因此需要把玻璃模拟成厚度为0.001的CQUAD虚板元，这些单元的作用是为了承受压差载荷，用RBE2刚性单元把玻璃边界上的力传递到中间节点上，再通过RBE3柔性单元把中间节点上的力传递到窗框上，通过这种方式，玻璃上受到的压差载荷就传递到了蒙皮上。RBE2单元和RBE3单元在模型中完全重合，共用中间节点。该节点对于RBE2是独立节点，对于RBE3是非独立节点。

窗框的简化非常简单，把整个窗框简化成若干CROD杆元来进行模拟，杆元的面积取窗框结构的实际截面面积。

通风口受载传力方式与观察窗基本相同，故其简化建模方法与观察窗相同，也是通过RBE2和RBE3两个单元把载荷传递到蒙皮上。

4.5 舱门密封固定架

舱门密封固定架，下面为蒙皮，二者通过埋头螺栓相连，增强了蒙皮的承载能力，因此选用蒙皮所用CQUAD单元简化，厚度取型材的腹板和蒙皮的厚度相加，可以理解为此处为一增厚蒙皮。

4.6 坐标系

舱门有限元建模要用到三类坐标系，分别为总体坐标系，加载、约束坐标系和节点局部坐标系。总体坐标系是最常用的坐标系，为了模型装配方便，节点坐标全部选用总体坐标系。加载、约束坐标系是为了加载、约束方便而建立的一类坐标系。由于结构的不同，需要在加载点或约束点建立特定方向或角度的坐标系，以便在不同的方向或角度加载或约束。节点局部坐标系为了读取载荷和节点位移而建立的坐标系，对于舱门，主要考虑在舱门周缘节点上建立，垂直于蒙皮方向。

4.7 载荷与约束

图1中所示舱门为半堵塞式舱门，不参与传递机身的剪力及弯矩，因而载荷只有机舱内外的压差载荷，所以只需要施加均布压差载荷即可。

另外，该类舱门靠挡块（还有导轮，取决于导轮的设计准则是否允许其在正常飞行中接触）来限制舱门在飞行中的位置，因此，边界约束要加在挡块（及导轮）上。边界约束主要有两种类型：一种是不赋初始位移，对要约束的自由度刚性约束；另外一种是把舱门模型装配到全机有限元模型中，然后进行全机有限元计算。从中读出每个挡块的各方向位移，作为初始条件赋到舱门模型上。

4.8 材料

建立材料属性非常简单，但要注意必须赋密度属性，以正确模拟舱门的惯性载荷。

4.9 载荷工况

半堵塞式舱门由于不参与总体受力，相对来说，工况数量比较少。但是考虑到舱门的特殊性，结构破坏有可能导致灾难性后果，因此，舱门载荷工况中相对于其他结构增加了大量的破损工况。

国际上对机舱门的破损工况定义意见还不统一，目前主要有两种思想：一种是在飞行过程中舱门有一个挡块破坏（如果导轮设计概念允许其一直接触的话，也包括导轮），这样对于每个门来说有多少个挡块（导轮）就有多少种破损工况；第二种是考虑到加工工艺、装配误差以及一些不可预知因素导致的舱门的梁框连接处受力时发生断裂，从而导致某一段梁框不能传递载荷而造成了结构的一部分失效。基于这种思想，有多少个连接部位，就会增加多少个破损工况。这种思想导致的直接后果就是舱门重量增加。

为了安全起见，本文采用第二种思想选择破损工况。

破损工况在有限元中的处理方法：例如对于工况FS-B2-F122，这个工况表示位于2号梁上，1号和2号框之间靠近2号框的位置发生主结构破坏，可以理解为2号梁在该位置发生断裂。在有限元模型中，需要考虑取消此处梁的承载能力，处理方法就是将有限元模型中此处的单元删去。这些单元包括：1个CBAR单元及1个CROD单元（梁的内缘条），该截面上的3个CQUAD板元（梁腹板）和1个CROD单元（表示梁的外缘条的单元）。需要注意的是，如果此处有表示蒙皮凸台的CROD单元存在，需要保留该单元。因为定义的结构破损是发生在梁、框等主结构上的，不发生在蒙皮上。

对于挡块（或者导轮）的失效，处理方法类似，即把表示挡块（导轮）的BUSH单元删除。如果被删除的BUSH单元上有飞机总体坐标系Y方向（翼展方向）的刚度时，将该BUSH单元其余方向的刚度移到相邻的挡块上。

至此，舱门有限元模型建模完成，如图2

所示：

5 计算

在有限元模型完成以后，经过检查（注意对BUSH单元、RBE2单元和RBE3单元一定不能进行检复节点操作，因为三者本身就是用同一位置不同编号的节点建立的），设定好相关参数后就可以提交MD.NASTRAN进行计算了。

对于舱门的有限元计算来说，主要有两种类型：一种是线型计算，使用SOL101求解器：另外一种是非线性计算，使用SOL106求解器。在NASTRAN的算法中，线性计算是基于小变形小应变假设，而SOL106这种计算式基于大变形小应变假设。两种计算方式采用的理论假设不同，因而适用之处也有区别，本文采用SOL101求解器。由于本文重点在结构仿真模型建立，因此计算结果此处不再列出。

6 结语

本论文旨在研究用有限元法进行飞机舱门结构进行仿真，完成的主要工作如下：对目前国际上常见舱门的结构特点、构件布置、传力路线分析、主要结构失效形式等方面进行了深入的研究；对有限元建模中使用的一些特殊单元进行了阐述，对部分单元研究了其原理并结合具体结构举例加以说明；对舱门主结构中的各类构件的模型简化进行了详细的阐述，总结出了一套简化方法；对目前国际上关于舱门使用载荷工况的不同思想进行了阐述

比较。

参考文献

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