飞机登机门密封带分析

  飞机登机门密封带分析

魏宇宏 ,张帆 ,张歌 

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西西安 710089

摘要：本文以登机门密封带的分析为例，真实再现了密封带实际的受力变形密封形式，暴露了密封细节问题，并对改进后的密封效果进行了验证。

关键词：密封带  有限元 登机门  非线性

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1  概述

登机门密封结构是舱门的主要组成部分，是保证驾驶舱气密性的关键，对飞机飞行安全至关重要[1]，在登机门设计中，需要安装密封带以防止空气泄漏[2]，密封是设计的难点和重点。登机门密封带采用“P”型截面，上下部位密封形式采用压密封，两侧部位采用挤密封，四角处采用圆滑过渡形式。实际飞机生产制造过程中，发现四角处密封效果较差，需要多次调试密封带才能避免漏气现象。

密封带分析包括三个过程，第一步是密封带压条通过螺栓预紧将密封带压紧在门体上，第二步是关闭舱门过程将密封带压紧在门框上，第三步是密封带内部和外部冲压模拟充气过程。

该分析是一项强非线性问题，包括密封带超弹性材料的材料非线性、密封带大变形的几何非线性和接触非线性问题；密封带的截面尺寸和长度尺寸相比较小，由于其大变形需要对截面的网格划分较密，这样导致整个模型的网格数量较大和最小单元尺寸较小。采用接触理论求解该问题，真实再现了密封带实际的受力变形密封形式，暴露了密封细节问题。通过改进，验证了结构改进的良好密封性能。

2  模型的建立

2.1 密封结构概述

登机门密封设计结构见图1所示，登机门门框结构与飞机机身固接，密封带被密封带压条压紧在门体结构上。登机门关闭时，门体靠紧在门框上，两者之间通过密封带进行密封。

密封带装配示意图见图1所示，密封带压条通过预紧螺栓将密封带压紧在门体上。密封带边界超出门体边界一定距离，实现密封带与门框的初始干涉量。密封带主要由橡胶层和纤维层组成。纤维层使得密封带表面摩擦较小，并保证关闭登机门时不夹带。

图1 登机门密封设计结构

图2  密封带装配示意图

2.2 有限元建模

2.2.1 网格设计及材料属性

密封带和密封带压条离散为六面体单元；门体和门框结构以及纤维布层离散为壳单元；连接单元采用弹簧单元模拟。

密封带橡胶材料特点：

（1）能承受大弹性(可恢复)变形；

（2）体积几乎不可压缩；由于分子链的拉直引起变形，所以在外加应力作用下，体积变化很小。

（3）ε-δ曲线高度非线性。

对密封带材料进行如下假设：

（1）材料响应是各向同性、等温和弹性的；

（2）所有的橡胶类材料具有非常小的压缩性，假设完全不可压缩通常是非常好的近似。因此，这里假定材料是完全不可压缩的。

2.2.2 接触对的建立

根据接触工况，共需建立4组接触对，包括密封带压条与密封带的接触、三维单元与二位单元的接触、二位单元与三维单元的接触、二维单元之间的自接触。

密封带受气密载荷时，内部完全受到气密载荷作用，外部分为气密区和非气密区，两者之间的分阶称为气密线。气密线是由密封带与周围结构接触情况来决定的。图3为密封带气密区和非气密区示意图。

图3  密封带气密区和非气密区示意图。

2.2.3工况建立

密封带分析包括三个过程工况，第一步是密封带压条通过螺栓预紧将密封带压紧在门体上，第二步是关闭舱门过程将密封带压紧在门框上，第三步是密封带内部和外部冲压模拟充气过程。

三个过程所需曲线见图4，其中，红色曲线是预紧螺栓的预紧压力曲线，蓝色曲线是门框反向运动曲线，粉色曲线是气密加载曲线。

图4  过程曲线

3 工况分析

3.1密封带预紧工况分析

密封带分析第一步是预紧工况，密封带压条通过螺栓将密封带预紧压紧在门体上，得到门体受到密封带压条的接触力值云图和密封带位移云图。

3.1密封带关闭舱门工况分析

密封带分析第二步是关闭舱门工况，门框反向运动压紧在密封带上。图5是需要观察的部位及其编号。密封带挤压工况过程中，由图6可以看出，部位A、B、C、D处于直线段，部位A、C受到门框结构的压作用，部位B、D受密封钢条的挤作用，此4处变形形式良好。

由图7可以看出，部位E、F、G、H处于四角圆弧段，部位E、F在挤压接触过渡段与门框结构接触干涉量几乎为零，几乎没有产生受挤压变形。部位G、H处密封带产生褶皱变形，初步分析得到，产生褶皱变形是因为密封带干涉量较大且不均匀。

综合以上变形结果，可得出部位A、B、C、D处接触变形良好，部位E、F干涉量不够，部位G和H处干涉量较大且不均匀，产生褶皱变形。

图5  密封带部位编号

图6  关闭舱门工况部位ABCD变形形式

图7  关闭舱门工况部位EFGH变形形式

3.3 密封带关闭舱门工况分析

密封带分析第三步是充气工况，在密封带内外表面气密线之内施加使用载荷0.033MPa。

密封带在充气工况下各个截面的变形见图8、图9。密封带充气工况过程中，由图8可以看出，部位A、B、C、D处于直线段，部位A受到内外气压作用向上变形，变形量较大，但与门框结构接触良好，部位B、C、D受到内外气压作用向门框结构靠紧，接触良好。由图9可以看出，部位E、F、G、H处于四角圆弧段，部位E、F在挤压接触过渡段与门框结构接触力值几乎为零。部位G、H处的褶皱变形没有因为受到气压作用而消失。

综合以上，可得出部位A、B、C、D处气密性能良好，部位E、F、G、H气密性能较差。

图8  充气工况部位ABCD变形形式

图9  充气工况部位EFGH变形形式

综合以上分析，可看出分析结果与实际飞机状况一致，即四角处气密性较差。密封带上部E、F两处是由于干涉量不足导致气密性较差，下部G、H两处是由于干涉量太大且不均匀导致密封带产生褶皱现象，进而导致气密性较差。

4 结构优化改进

对上部E、F两处的结构零件外形进行改进，以加大与密封带的干涉量；对下部G、H两处的结构零件外形进行改进，以减少与密封带的干涉量并使得干涉量均匀。

对改进后的结构模型进行分析，结果见图10，部位E、F圆弧过度段均产生了接触力值，表明密封带接触良好；部位G、H处没有褶皱，表明密封带接触变形良好。

图10 改进后的部位EFGH变形形式

5总结

针对飞机登机门漏气现象进行分析，首先建立了复杂的分析模型，通过三个完整工况的分析，得到了登机门密封结构的实际变形形式，对密封结构的各个部位进行深入分析，最终确定了漏气现象的根本原因，打破了“干涉量越多，密封性能越好”的传统观念。经过改进，密封性能明显提升，验证了分析的正确性。

参考文献

[1]郭琦 飞机登机门密封结构改进研究，航空维修与工程 2017年03期

[2] 王增辉 飞机舱门密封带的仿真分析，特种橡胶制品， 2017年05期

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