某型貨機貨艙門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1、某型貨機貨艙門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計朱巖王卯升羅濤 中航工業(yè)西安飛機工業(yè)公司陜西西安郵編710089摘要：本文運用 HyperWorks 軟件建立了貨艙門及周圍結(jié)構(gòu)的有限元模型并分析求解，了 解當(dāng)前設(shè)計下的艙門結(jié)構(gòu)強度、剛度以及減重潛力，評估了當(dāng)前結(jié)構(gòu)的設(shè)計性能及改進(jìn)方向。 通過優(yōu)化設(shè)計技術(shù)對當(dāng)前艙門的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化減重，得到了滿足要求的改進(jìn)方案。 關(guān)鍵詞：貨艙門 有限元 優(yōu)化設(shè)計1 貨艙門結(jié)構(gòu)簡介某型 貨 機 貨艙 門位于 中機身 右側(cè) （順航 向） 27 32 框間， 門大 小尺寸 為 2500mm×2000mm，飛機裝卸貨物時，貨艙門向上翻轉(zhuǎn)開啟（完全開啟時向上翻轉(zhuǎn) 100°）

2、 和向下翻轉(zhuǎn)關(guān)閉，貨艙門采用電動操作。貨艙門門體結(jié)構(gòu)由外蒙皮、橫向 11 個梁、縱向的 8 個隔板、3 個長桁和上、下邊框以及承力鎖銷等組成，如圖 1 所示。圖 1 某型貨機貨艙門及門框結(jié)構(gòu)2有限元建模2.1 機身整體有限元模型按照某型貨機貨艙門靜力試驗要求，靜力試驗件包括 20 框45 框（含貨艙門）之間機 身結(jié)構(gòu)以及水平尾翼和垂直尾翼，各部件均按裝配圖與機身對接，機身 20 框和承力鋼板連 接。機身有限元模型的節(jié)點取在機身理論外形線上以及縱、橫結(jié)構(gòu)件的交點處，然后由這些 節(jié)點形成自然網(wǎng)格。建立機身有限元模型見圖 2。圖 2 機身有限元模型2.2 貨艙門及門框細(xì)節(jié)有限元模型貨艙門有限元模型簡

3、化時，主要考慮了門及門框結(jié)構(gòu)的受力特點及剛度特性，剛度取自 CATIA 三維數(shù)模及二維圖紙，具體簡化原則如下：框、梁、長桁、隔板、蒙皮等薄板件采 用殼單元；厚板件及實體機加件采用六面體單元；鉚釘、螺栓等連接件采用 cweld 單元。建 立門及門框結(jié)構(gòu)有限元模型見圖 3 和圖 4。圖 3 貨艙門結(jié)構(gòu)有限元模型圖 4 貨艙門門框結(jié)構(gòu)有限元模型2.3 機身與門框及貨艙門有限元模型的連接機身整體模型與門框細(xì)節(jié)模型在門框部門重疊，機身整體模型與門框細(xì)節(jié)模型的連接采 用 rbe3 單元連接.艙門與門框有限元模型的連接，合頁連接用梁單元進(jìn)行模擬，擋塊與滾輪、鎖座與鎖之 間的接觸通過滑動接觸來模擬。2.4 材

4、料貨艙門結(jié)構(gòu)共采用了六類材料，材料性能見表 1。表 1 材料性能表材料卡編號結(jié)構(gòu)部位材料拉伸模量（E）泊松比（）bMPa0.2MPa1013蒙皮、梁、18 號隔板腹板2024-T3720000.314272751001上、下邊框腹板LY12 板材680000.333902551002長桁、隔板緣條、梁緣條LY12 型材710000.33390295100914、69 號梁接頭7050-T7451690000.335104411008前、后、5 梁下端接頭2024-T351720000.314342901010鎖銷、鎖座30CrMnSiA1960000.310808352.5 邊界約束和載荷按照

5、某型貨機貨艙門靜力試驗要求，試驗件采用機身 20 框和承力鋼板連接，承力鋼板直接與承力墻連接的支持方式。整機有限元模型通過 20 框約束在固定承力鋼板上。 選取后機身俯仰力矩、偏航力矩、扭矩以及剪力等載荷的極限情況、氣密以及氣密綜合載荷極限情況、貨艙門開關(guān)運動過程中對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的載荷工況進(jìn)行加載。3 貨艙門結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化通過貨艙門、門框初始設(shè)計有限元分析，對結(jié)構(gòu)初始設(shè)計的強度、剛度進(jìn)行摸底，找出 初始設(shè)計的薄弱位置和強度富裕位置。對薄弱位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，對強度富裕的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu) 化減重，使艙門在滿足設(shè)計要求的同時重量最輕。3.1 初始設(shè)計有限元分析 貨艙門整機有限元模型分析結(jié)果A 艙門應(yīng)力分析結(jié)果

6、艙門結(jié)構(gòu) 6 種工況應(yīng)力包絡(luò)云圖如圖 5 所示，艙門大部分結(jié)構(gòu)應(yīng)力在 20-130MPa，下 部檔塊處結(jié)構(gòu)應(yīng)力較高，平均都在 400MPa 以上，其他部位應(yīng)力水平不高，均小于材料屈 服強度，艙門與門框下部前端和后端擋塊處設(shè)計較弱，強度不能滿足設(shè)計要求，其他結(jié)構(gòu)部 件強度滿足設(shè)計要求。B 艙門和門框的相對變形圖 5 艙門結(jié)構(gòu)應(yīng)力包絡(luò)云圖將艙門與門框相對變形分為 A、B、C、D 4 個區(qū)域進(jìn)行分析，A 區(qū)域為艙門上部，B 區(qū) 域位于艙門后部，C 區(qū)域位于艙門前部，D 區(qū)域位于艙門下部。示意圖如圖 6 所示。圖 6 艙門門框變形示意圖艙門最大變形均超過 10mm ，艙門與門框相對變形大；2 倍氣密工

7、況最大變形為 2.916mm，艙門與門框相對變形不大。工況 55、65、318、633 艙門最大變形大主要原因 是下部擋塊處結(jié)構(gòu)設(shè)計較弱，X 向載荷較大時框腹板和梁有明顯變形，3.2 貨艙門下部兩端擋塊區(qū)域結(jié)構(gòu)改進(jìn)及分析分析結(jié)果顯示艙門與門框下部擋塊處設(shè)計較弱，強度和剛度均不能滿足設(shè)計要求，其他 結(jié)構(gòu)部件強度和剛度滿足設(shè)計要求。擋塊處結(jié)構(gòu)設(shè)計對艙門與門框處相對變形影響很大，所 以必須在優(yōu)化前對下部擋塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠滿足剛度和強度要求。 貨艙門下部兩端擋塊區(qū)域結(jié)構(gòu)改進(jìn)艙門和門框下部兩端擋塊區(qū)域改進(jìn)主要是增強艙門和門框?qū)τ诤较蜉d荷的承受能力，將 艙門三角支撐延長與框連接，同時增加三角支撐的

8、厚度。門框在擋塊結(jié)構(gòu)端部增加沿航向的 隔板，在框腹板處增加墊板，同時延長滾輪支座與角片連接，使擋塊區(qū)域構(gòu)成盒型結(jié)構(gòu)。 貨艙門下部兩端擋塊區(qū)域結(jié)構(gòu)改進(jìn)結(jié)果分析 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后艙門及門框強度和剛度性能大幅提高，滿足強度和剛度設(shè)計要求。應(yīng)力包絡(luò)云圖如圖 7 所示。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后下部擋塊處應(yīng)力水平明顯下降，最大值為 489MPa，小于材料的強度極限。圖 7 調(diào)整后艙門和門框整體 6 種工況應(yīng)力包絡(luò)云圖結(jié)構(gòu)改進(jìn)后艙門門框相對變形如表 4 所示。改進(jìn)結(jié)構(gòu)后艙門與門框相對變形有明顯減 小，測量點的最大變形量約為 4mm，2 倍氣密工況最大位移約為 2.7mm。3.3 貨艙門結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過貨艙門有限元分析可以知道艙門結(jié)

9、構(gòu)還具有一定的強度富裕，在改進(jìn)模型的基礎(chǔ)上 對艙門主承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使艙門在滿足設(shè)計要求的同時重量最輕。艙門結(jié)構(gòu)主要可以分為機加件和鈑金件兩類，由于其制造工藝不同，優(yōu)化時對機加件和 鈑金件兩類典型結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化時考慮強度、剛度性能。確定了艙門典型結(jié)構(gòu)優(yōu)化 基本流程，艙門典型結(jié)構(gòu)優(yōu)化基本流程圖如下。圖 8艙門典型結(jié)構(gòu)優(yōu)化基本流程圖 艙門部分機加件拓?fù)鋬?yōu)化 對機加件進(jìn)行優(yōu)化，一般遵循兩個原則，一是減重空間大，部件本身有極大的減重余地，二是部件受力較大，結(jié)構(gòu)傳力不合理，考慮到強度要求，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。綜合以上原則， 選擇了典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。機加件優(yōu)化一般分為兩個階段，階段一是拓?fù)鋬?yōu)化在

10、設(shè)計區(qū)域內(nèi)尋找結(jié)構(gòu)的最佳材料分 布；階段二是根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果進(jìn)行幾何重構(gòu)，然后進(jìn)行尺寸優(yōu)化。A 旋轉(zhuǎn)作動器支座旋轉(zhuǎn)作動器支座主要承受扭轉(zhuǎn)載荷，優(yōu)化時考慮到計算效率對模型進(jìn)行簡化，截取一段 框作為邊界支撐，電機設(shè)計極限輸出作為優(yōu)化的載荷。旋轉(zhuǎn)作動器支座使用體單元進(jìn)行建模， 旋轉(zhuǎn)作動器支座上端為非設(shè)計區(qū)域，下端填充后作為設(shè)計區(qū)域，如圖 9 所示。優(yōu)化三要素：圖 9 旋轉(zhuǎn)作動器支座拓?fù)鋬?yōu)化初始有限元模型優(yōu)化變量：設(shè)計區(qū)域單元密度。優(yōu)化約束：約束體積比響應(yīng) vf 小于 0.2、拔模約束、對 稱約束。優(yōu)化目標(biāo)：最小化應(yīng)變能。優(yōu)化后旋轉(zhuǎn)作動器支座的材料分布如圖 10 所示。由于旋轉(zhuǎn)作動器支座主要受扭，其

11、材 料分布為上寬下窄，與上端輸出軸圓筒基本構(gòu)成盒型結(jié)構(gòu)，與典型受扭結(jié)構(gòu)件特征一致。根 據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何重構(gòu)，其腹板和筋的厚度與初始設(shè)計一致。圖 10 拓?fù)鋬?yōu)化旋轉(zhuǎn)作動器支座材料分布圖 11 是旋轉(zhuǎn)作動器支座初始設(shè)計、加強設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、變形比較，初 始設(shè)計的最大應(yīng)力約為 2658MPa，加強設(shè)計的最大應(yīng)力為 1092MPa，優(yōu)化設(shè)計后的最大應(yīng) 力為 618MPa。初始設(shè)計的最大變形為 1.249mm，加強設(shè)計的最大變形為 0.298mm，優(yōu)化 設(shè)計的最大變形為 0.2034mm。三種設(shè)計的質(zhì)量對比如表 2 所示，綜合考慮重量和強度及 剛度的要求，優(yōu)化設(shè)計后的模型在比初始

12、模型略有增重的情況下，獲得了更好的強度剛度要求。圖 11旋轉(zhuǎn)作動器支座三種設(shè)計的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、變形對比表 2 三種設(shè)計質(zhì)量對比非設(shè)計區(qū)域(kg)設(shè)計區(qū)域(kg)總質(zhì)量(kg)百分比（100%）初始設(shè)計0.1680.1510.3180加強設(shè)計0.1920.2070.4+25.79%優(yōu)化設(shè)計0.2160.1070.323+1.57% 艙門部分鈑金件尺寸優(yōu)化A 選取尺寸優(yōu)化零件區(qū)域 艙門尺寸優(yōu)化主要選取蒙皮、隔板、框和下部機加接頭腹板進(jìn)行優(yōu)化，以蒙皮厚度、隔板、框的內(nèi)外凸緣、框腹板和下部機加接頭腹板作為設(shè)計變量，優(yōu)化其厚度值。B尺寸優(yōu)化 設(shè)計變量：蒙皮、內(nèi)凸緣、腹板、外凸緣、縱隔板、墊板 優(yōu)化約束：

13、應(yīng)力約束、剛度約束、制造工藝約束 優(yōu)化目標(biāo): 重量最輕。本次優(yōu)化優(yōu)化共迭代 24 步。優(yōu)化目標(biāo)的迭代歷程曲線如圖 12 所示。從圖中可以看出， 優(yōu)化效果比較明顯，重量減輕幅度較大，優(yōu)化空間在優(yōu)化前的初始重量為 75.17Kg，優(yōu)化 后 重量為 50.68Kg，減重 24.49Kg，減重 32.57%，圖 12 優(yōu)化目標(biāo)迭代歷程曲線 C艙門優(yōu)化后應(yīng)力變形分析結(jié)果 a)艙門優(yōu)化后應(yīng)力分析結(jié)果結(jié)構(gòu)調(diào)整后艙門應(yīng)力水平有所上升，蒙皮、框、隔板、墊板的應(yīng)力包絡(luò)云圖分別如圖 26、27、28、29 所示。優(yōu)化后蒙皮最大包絡(luò)應(yīng)力為 129.6MPa，框、下部機加接頭腹板最 大包絡(luò)應(yīng)力為 145.9MPa，隔板

14、最大包絡(luò)應(yīng)力為 59.08MPa，墊板最大包絡(luò)應(yīng)力為 54.41MPa。圖 13 優(yōu)化后艙門蒙皮應(yīng)力包絡(luò)云圖圖 14 優(yōu)化后門框應(yīng)力包絡(luò)云圖圖 15 優(yōu)化后艙門隔板應(yīng)力包絡(luò)云圖圖 16 優(yōu)化后艙門墊板應(yīng)力包絡(luò)云圖b)艙門優(yōu)化后變形分析結(jié)果優(yōu)化后艙門門框相對變形相對于優(yōu)化前略有增加，除 55 工況 C3 位置變形為 4.66mm外其他工況所有測點變形均小于 4mm。優(yōu)化前后艙門門框變形最大改變量為 0.26mm4 總結(jié)某型貨機貨艙門結(jié)構(gòu)和機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，通過全機有限元模型分析，找出了初始設(shè)計的偏 弱部位，并改進(jìn)了結(jié)構(gòu)薄弱部位，結(jié)構(gòu) 改進(jìn)后應(yīng)力水平和艙門與門框相對變形明顯下降。在 此基礎(chǔ)上完成了艙門

15、結(jié)構(gòu)兩類典型零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，貨艙門結(jié)構(gòu)優(yōu)化后應(yīng)力水平和艙門與門 框變形均滿足設(shè)計要求。最終整個艙門共計減重 25.49Kg。某型貨機貨艙門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中形成的技術(shù)路線和流程方法，可以為后續(xù)艙門優(yōu)化 設(shè)計提供經(jīng)驗和規(guī)范，有助于提高產(chǎn)品設(shè)計水平，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。Structure Optimization Design of Cargo DoorZhu YanWang MaoshengLuo TaoAbstract：This paper by using the software HyperWorks established and solved the cargo door and surrounding structure finite element model, understand the current design,the door structure strength, stiffness and weight reduction potential, assessed the