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内容简介

飞机舱门系统可靠性分析、设计与实验详细介绍飞机舱门系统可靠性分析、设计与实验的理论方法及工程应用。飞机舱门系统可靠性分析与设计部分主要包含舱门结构可靠性分析设计, 基于可靠性的舱门结构拓扑优化设计、尺寸优化设计、形状优化设计, 舱门机构可靠性分析, 飞机舱门机电液一体化可靠性分析与设计技术; 实验部分主要介绍某型飞机舱门结构气密性实验、水上应急出口舱门综合功能实验, 包括实验原理与设计、实验技术与设备等。

目录

前言第 1章舱门结构可靠性分析设计 1
1.1舱门密封结构的气密性、可靠性分析 · 1
1.1.1 密封组件原理分析 1
1.1.2 密封圈压缩实验 3
1.1.3 密封结构压缩仿真 4
1.1.4 可靠性分析 · 7
1.1.5 小结 9
1.2典型门框抗疲劳可靠性分析设计 9
1.2.1 有限元模型 10
1.2.2 材料参数 11
1.2.3 载荷和边界条件 · 11
1.2.4 疲劳寿命可靠性分析的原理 12
1.2.5 随机变量与极限状态函数 13
1.2.6 双框构型的关键部位的强度与寿命可靠性分析 15
1.2.7 单框构型的关键部位的可靠性分析 · 21
1.2.8 小结 27 参考文献 28 第 2章舱门结构优化设计 · 29
2.1基于可靠性的舱门主支撑臂拓扑优化设计 29
2.1.1 支撑臂基结构 · 29
2.1.2 结构的拓扑优化 · 31
2.1.3 优化目标及约束 · 32
2.1.4 优化结果 32
2.1.5 优化前后的性能对比 33
2.1.6 与现用支撑臂结构的性能对比 35
2.1.7 小结 37
2.2前起落架舱门结构优化设计 39
2.2.1 前起落架舱门的参数化建模技术 39
2.2.2 舱门结构静强度有限元分析 44
2.3复合材料气密舱门形状优化设计 · 56
2.3.1 基于 HyperWorks的形状优化 57
2.3.2 舱门的形状优化流程 58
2.3.3 形状优化模型 · 59
2.3.4 形状优化结果 · 62
2.3.5 结果分析 63
2.3.6 小结 64
2.4复合材料气密舱门尺寸优化设计 · 64
2.4.1 气密舱门尺寸优化流程 64
2.4.2 尺寸优化模型 · 65
2.4.3 尺寸优化结果 · 66
2.4.4 小结 67 参考文献 68 第 3章舱门机构可靠性分析 70
3.1机构可靠性分析概述 70
3.1.1 机构可靠性分析内容 70
3.1.2 机构可靠性分析方法 71
3.1.3 机构可靠性分析数值仿真技术 72
3.1.4 小结 75
3.2舱门收放机构可靠性分析 75
3.2.1 舱门收放机构组成及原理分析 76
3.2.2 舱门收放机构运动仿真分析 77
3.2.3 可靠性分析 82
3.2.4 小结 90
3.3飞机舱门锁机构运动精度可靠性分析 92
3.3.1 舱门锁机构的组成及工作原理 93
3.3.2 舱门锁机构运动仿真分析 94
3.3.3 舱门锁机构运动精度可靠性分析模型 · 96
3.3.4 舱门锁机构运动精度可靠性分析 102
3.3.5 小结· 106
3.4应急舱门锁机构卡滞可靠性分析 106
3.4.1 应急舱门锁机构的组成及工作原理 107
3.4.2 舱门锁机构开锁力测试实验 108
3.4.3 舱门锁机构开锁力仿真分析 109
3.4.4 舱门锁机构卡滞可靠性分析 114
3.4.5 小结· 116 参考文献 · 117
第 4章飞机舱门机电液一体化可靠性分析与设计技术 119
4.1飞机舱门系统机电液联合仿真 119
4.1.1 软件介绍 119
4.1.2 接口介绍 120
4.1.3 仿真算例 121
4.1.4 对于双余度舱门系统的不同步分析与解决 · 122
4.2飞行环境下飞机舱门电液系统功能可靠性分析 124
4.2.1 地面舱门功能验证性实验 · 125
4.2.2 飞行环境模拟 126
4.2.3 舱门电液系统虚拟样机的建模 127
4.2.4 随机高空风场环境与机电液联合仿真 129
4.2.5 舱门空中开启功能可靠性分析 131
4.2.6 小结· 135
4.3飞机舱门系统空中保持工况下电液系统的改进设计 135
4.3.1 飞机舱门空中保持的电液控制系统 136
4.3.2 飞机舱门空中保持工况分析 137
4.3.3 空中保持工况的虚拟实现 · 137
4.3.4 虚拟仿真结果 138
4.3.5 对于液压系统的改进优化设计 139
4.3.6 小结· 141 参考文献 · 141 第 5章飞机舱门典型结构、机构实验研究 143
5.1某型飞机舱门结构气密性实验 143
5.1.1 试件与实验设备 143
5.1.2 气密构型选型实验 145
5.1.3 功能实验 154
5.1.4 气密性实验 155
5.1.5 强度加载实验 158
5.2水上应急出口舱门综合功能实验 168
5.2.1 试件与实验设备 168
5.2.2 内-外开锁手柄力测试实验 170
5.2.3 调整阶差与密封圈压缩量后的开锁力实验 · 175
5.2.4 静强度加载实验 177 参考文献 · 183 索引 184

精彩书摘

第 1章舱门结构可靠性分析设计
飞机舱门结构设计应满足硬壳式结构的破损安全准则 , 其结构的使用寿命也应与飞机结构寿命大致相同[1]。如果结构设计不合理, 飞机在高空飞行时, 可能发生货舱门意外打开 , 将造成压力舱减压或失压 , 同时还可能影响到飞行姿态, 改变气动特性, 严重时造成飞机坠落甚至解体[2]。一般情况下, 舱门只承受压差载荷(货桥大门还承受货物的重量), 不参与机身总体受力。货舱门结构和零件尺寸的确定必须保证组件在单个载荷和一个组合载荷的最大限制载荷下使用的安全性。为防止组件破坏 , 必须考虑一个最小的安全系数 (一般取1.5), 对于门的铰链及与其相连的连接件 , 可增加 15%的安全裕度 [3]; 对于铸件和焊件 , 必须同时考虑有关的附加系数要求 ; 当确定承受内压结构的尺寸时, 需要附加额外的安全裕度值。为了不影响飞机的稳定性和操纵性, 当舱门关闭时 , 舱门结构应具有足够的刚度 , 确保在任何飞行工况下不会发生较大的变形[4]。
保证飞机舱门的可靠性是舱门设计的主要目的之一 [5]。可靠性和其他性能一样, 在研发设计过程中都必须予以充分考虑。舱门结构的可靠性设计涉及静强度设计、疲劳强度设计及有限寿命设计等一系列的研究工作[6]。
本章主要对舱门关键结构的可靠性进行研究, 主要包括组合密封组件结构的气密性能、典型门框结构的疲劳性能及在设计阶段就应该予以考虑的材料、载荷、尺寸、间隙等因素的不确定性 , 并在相应失效模式下对相关结构的可靠性、结构参数灵敏度进行了分析。
1.1 舱门密封结构的气密性、可靠性分析
1.1.1密封组件原理分析
飞机舱门密封是防止舱内漏气或失压的重要保障, 与舱门的气密性能和密封结构的设计密切相关[7]。图 1.1是某型飞机舱门关闭时的结构图 , 图 1.2是对应的组合密封结构截面示意图, 主要由P形密封圈、密封压条、Z形挡件、门体和门框组成。
由于制造误差、安装同轴度及在使用过程中产生的磨损等因素的存在, 密封结构实际位置与设计值之间存在随机性偏差 , 这种随机性偏差严重影响舱门的刚度特性和气密可靠性[8]。
图 1.2抽取了图 1.1门体密封结构形式的截面示意图 , 其装配关系主要取决于以下关键结构参数: 门体与门框间隙 d1、挡件在门框上的纵向距离 d2、Z形挡件自身的横向尺寸 d3、舱门关门行程 d4及挡件倒角半径 r。
密封圈是一种能够发生大变形的高弹性橡胶材料, 其压缩变形特性对舱门整体的气密刚度起主导作用。因此 , 压缩变形特性是选型的重要依据之一。目前 , 已经有很多学者基于有限元方法分析了实心橡胶圈的压缩应力特性 , 针对指尖密封、O形密封、球型密封等密封形式研究了密封材料、仿真及结构参数对密封性能的影响[9]。
本节选取了飞机舱门设计中应用较为广泛的 P形密封圈组合密封结构 , 考虑到密封结构参数的随机性 , 采用密封圈压缩实验结合有限元仿真 , 应用Monte CArlo法抽样分析了密封结构的气密可靠性和参数灵敏度。

1.1.2 密封圈压缩实验
舱门密封圈实验件如图1.3所示, 尺寸为 660mm×1360mm、内径为 10mm的 P形截面, 其橡胶的硬度值 (邵氏)为50。实验测试的两种密封圈分别为 : 1平纹型织物增强, 厚度为 1.5mm; 2无织物增强, 厚度为2mm。实验测试压缩量均为0~7mm。根据实验件的尺寸及加载类型, 本节选用了 FTS复杂加载系统作动筒进行实验(量程: 10kN, ±60mm)。实验装置示意图如图1.4所示。
将实验件固定在舱门密封圈卡槽上 , 平面门体与油缸连接 , 通过实验机作动筒控制压缩量 , 作动筒加载速率设置为 0.2mm/s, 可视为静态加载。实验加载平板舱门压头稍大于密封圈 , 尺寸为700mm×1400mm。为保证平板的加载刚度 , 平板舱门压头材料采用 45号钢, 厚度为20mm。为了消除重力对夹具的影响 , 实验前对 FTS设备的测试力进行标定, 同时利用水平仪对加载夹具进行水平校核。
实验过程中, 密封圈压缩量每增大1mm,测量并记录相应的加载力。实验结果如图1.5所示, 压缩量随压缩力呈非线性上升趋势, 并且在相同变形量下, 织物增强型密封圈的压缩力明显高于普通橡胶密封圈, 具有更大的压缩比。


1.1.3密封结构压缩仿真
与飞机舱门门体、门框和挡件材料 ( E . 70GPA )相比, 密封圈材料的模量 ( E . 0.0075GPA )较小。作为大柔度结构的密封圈直接决定着门体的气密刚度 , 需要着重关注密封圈的变形。因此 , 本节将门体、门框、密封压条和挡件近似为刚体, 只考虑密封圈的变形。图 1.6为舱门密封结构的有限元模型 , 单元类型选择四节点平面应变 HerrmAnn单元, 单元总数为 650。
密封圈一般设计有小孔 , 飞行过程中, 舱内压力能够通过这些眼孔渗透进密封圈内。这样不仅起到加强密封的作用 , 而且延长了密封圈的使用寿命 [10]。圈内气压的作用效果可以采用MARC软件中的CAVITY(气囊空穴模型 )单元来进行模拟。正常飞行条件下 , 舱内恒压值设定为 0.076MPA。摩擦模型为库仑模型 , 硬铝与橡胶的摩擦因数取0.25。
密封圈是橡胶材料, 工程上通常采用 Mooney-Rivlin模型或 Ogden模型来描述其材料特性 [11]。利用MARC软件中的“EvAluAte MAteriAl”,分别采用上述两种模型对密封圈压缩实验数据进行拟合后, 发现Ogden模型与实验数据基本吻合 (图 1.7)。其应变能函数定义为 (1.1)
k k 111231k式中, W为应变能密度 ; .i为伸长率; .k、.k为模型系数, 可以通过拟合应力 -应
k
变实验数据得到。

图 1.7 采用 Ogden模型拟合密封圈材料实验数据舱门关闭过程中, 密封圈要经历一个大变形、大应变过程, 其有限元网格不断
发生移动、扭曲 , 尤其与刚体界面 (门框和挡板)接近的单元经常在接触与非接触之间变动, 在 MARC软件中对接触区域采用自适应网格重划分技术来解决网格畸变问题, 可以获得更为精确的结果 [12]。采用接触区域网格自适应加密技术计算得到密封圈截面 CAuchy应力分布情况 , 如图 1.8所示, 最大应力出现在密封圈与挡件的接触部位, 大小约 15.5MPA。


密封圈、门框及 Z形挡件的单位面积法向压缩力如图 1.9所示, X_frAme表示密封圈、门框的 X方向接触力 , X_bAffle、Y_bAffle表示密封圈、挡件的 X方向和 Y方向的接触力 (X、Y的方向如图 1.6所示)。从图 1.9中可以看到, 当关门压缩量达到1.05mm时, 密封圈与 Z形挡件发生接触; 当关门压缩量达到 3.26mm时, 密封圈

前言/序言

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