某型貨機貨艙門結構優(yōu)化設計

1、某型貨機貨艙門結構優(yōu)化設計朱巖王卯升羅濤 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構的有限元模型并分析求解，了 解當前設計下的艙門結構強度、剛度以及減重潛力，評估了當前結構的設計性能及改進方向。 通過優(yōu)化設計技術對當前艙門的結構進行了優(yōu)化減重，得到了滿足要求的改進方案。 關鍵詞：貨艙門 有限元 優(yōu)化設計1 貨艙門結構簡介某型 貨 機 貨艙 門位于 中機身 右側 （順航 向） 27 32 框間， 門大 小尺寸 為 2500mm×2000mm，飛機裝卸貨物時，貨艙門向上翻轉開啟（完全開啟時向上翻轉 100°）

2、 和向下翻轉關閉，貨艙門采用電動操作。貨艙門門體結構由外蒙皮、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構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 身結構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、橫結構件的交點處，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構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 立門及門框結構有限元模型見圖 3 和圖 4。圖 3 貨艙門結構有限元模型圖 4 貨艙門門框結構有限元模型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節(jié)模型在門框部門重疊，機身整體模型與門框細節(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、料貨艙門結構共采用了六類材料，材料性能見表 1。表 1 材料性能表材料卡編號結構部位材料拉伸模量（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、貨艙門開關運動過程中對結構產(chǎn)生的載荷工況進行加載。3 貨艙門結構分析及優(yōu)化通過貨艙門、門框初始設計有限元分析，對結構初始設計的強度、剛度進行摸底，找出 初始設計的薄弱位置和強度富裕位置。對薄弱位置進行結構改進，對強度富裕的結構進行優(yōu) 化減重，使艙門在滿足設計要求的同時重量最輕。3.1 初始設計有限元分析 貨艙門整機有限元模型分析結果A 艙門應力分析結果

6、艙門結構 6 種工況應力包絡云圖如圖 5 所示，艙門大部分結構應力在 20-130MPa，下 部檔塊處結構應力較高，平均都在 400MPa 以上，其他部位應力水平不高，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計較弱，強度不能滿足設計要求，其他結構部 件強度滿足設計要求。B 艙門和門框的相對變形圖 5 艙門結構應力包絡云圖將艙門與門框相對變形分為 A、B、C、D 4 個區(qū)域進行分析，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 是下部擋塊處結構設計較弱，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)域結構改進及分析分析結果顯示艙門與門框下部擋塊處設計較弱，強度和剛度均不能滿足設計要求，其他 結構部件強度和剛度滿足設計要求。擋塊處結構設計對艙門與門框處相對變形影響很大，所 以必須在優(yōu)化前對下部擋塊結構進行改進，使其能夠滿足剛度和強度要求。 貨艙門下部兩端擋塊區(qū)域結構改進艙門和門框下部兩端擋塊區(qū)域改進主要是增強艙門和門框對于航向載荷的承受能力，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。門框在擋塊結構端部增加沿航向的 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)域構成盒型結構。 貨艙門下部兩端擋塊區(qū)域結構改進結果分析 結構改進后艙門及門框強度和剛度性能大幅提高，滿足強度和剛度設計要求。應力包絡云圖如圖 7 所示。結構改進后下部擋塊處應力水平明顯下降，最大值為 489MPa，小于材料的強度極限。圖 7 調整后艙門和門框整體 6 種工況應力包絡云圖結構改進后艙門門框相對變形如表 4 所示。改進結構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 貨艙門結構優(yōu)化通過貨艙門有限元分析可以知道艙門結

9、構還具有一定的強度富裕，在改進模型的基礎上 對艙門主承力結構進行結構優(yōu)化，使艙門在滿足設計要求的同時重量最輕。艙門結構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 鈑金件兩類典型結構分別進行優(yōu)化，優(yōu)化時考慮強度、剛度性能。確定了艙門典型結構優(yōu)化 基本流程，艙門典型結構優(yōu)化基本流程圖如下。圖 8艙門典型結構優(yōu)化基本流程圖 艙門部分機加件拓撲優(yōu)化 對機加件進行優(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，結構傳力不合理，考慮到強度要求，需進行結構優(yōu)化。綜合以上原則， 選擇了典型結構進行優(yōu)化。機加件優(yōu)化一般分為兩個階段，階段一是拓撲優(yōu)化在

10、設計區(qū)域內尋找結構的最佳材料分 布；階段二是根據(jù)拓撲優(yōu)化的結果進行幾何重構，然后進行尺寸優(yōu)化。A 旋轉作動器支座旋轉作動器支座主要承受扭轉載荷，優(yōu)化時考慮到計算效率對模型進行簡化，截取一段 框作為邊界支撐，電機設計極限輸出作為優(yōu)化的載荷。旋轉作動器支座使用體單元進行建模， 旋轉作動器支座上端為非設計區(qū)域，下端填充后作為設計區(qū)域，如圖 9 所示。優(yōu)化三要素：圖 9 旋轉作動器支座拓撲優(yōu)化初始有限元模型優(yōu)化變量：設計區(qū)域單元密度。優(yōu)化約束：約束體積比響應 vf 小于 0.2、拔模約束、對 稱約束。優(yōu)化目標：最小化應變能。優(yōu)化后旋轉作動器支座的材料分布如圖 10 所示。由于旋轉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成盒型結構，與典型受扭結構件特征一致。根 據(jù)拓撲優(yōu)化結果對結構進行幾何重構，其腹板和筋的厚度與初始設計一致。圖 10 拓撲優(yōu)化旋轉作動器支座材料分布圖 11 是旋轉作動器支座初始設計、加強設計、優(yōu)化設計的結構、應力、變形比較，初 始設計的最大應力約為 2658MPa，加強設計的最大應力為 1092MPa，優(yōu)化設計后的最大應 力為 618MPa。初始設計的最大變形為 1.249mm，加強設計的最大變形為 0.298mm，優(yōu)化 設計的最大變形為 0.2034mm。三種設計的質量對比如表 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旋轉作動器支座三種設計的結構、應力、變形對比表 2 三種設計質量對比非設計區(qū)域(kg)設計區(qū)域(kg)總質量(kg)百分比（100%）初始設計0.1680.1510.3180加強設計0.1920.2070.4+25.79%優(yōu)化設計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行優(yōu)化，以蒙皮厚度、隔板、框的內外凸緣、框腹板和下部機加接頭腹板作為設計變量，優(yōu)化其厚度值。B尺寸優(yōu)化 設計變量：蒙皮、內凸緣、腹板、外凸緣、縱隔板、墊板 優(yōu)化約束：

13、應力約束、剛度約束、制造工藝約束 優(yōu)化目標: 重量最輕。本次優(yōu)化優(yōu)化共迭代 24 步。優(yōu)化目標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)化目標迭代歷程曲線 C艙門優(yōu)化后應力變形分析結果 a)艙門優(yōu)化后應力分析結果結構調整后艙門應力水平有所上升，蒙皮、框、隔板、墊板的應力包絡云圖分別如圖 26、27、28、29 所示。優(yōu)化后蒙皮最大包絡應力為 129.6MPa，框、下部機加接頭腹板最 大包絡應力為 145.9MPa，隔板

14、最大包絡應力為 59.08MPa，墊板最大包絡應力為 54.41MPa。圖 13 優(yōu)化后艙門蒙皮應力包絡云圖圖 14 優(yōu)化后門框應力包絡云圖圖 15 優(yōu)化后艙門隔板應力包絡云圖圖 16 優(yōu)化后艙門墊板應力包絡云圖b)艙門優(yōu)化后變形分析結果優(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 總結某型貨機貨艙門結構和機構優(yōu)化設計，通過全機有限元模型分析，找出了初始設計的偏 弱部位，并改進了結構薄弱部位，結構 改進后應力水平和艙門與門框相對變形明顯下降。在 此基礎上完成了艙門

15、結構兩類典型零件的結構優(yōu)化，貨艙門結構優(yōu)化后應力水平和艙門與門 框變形均滿足設計要求。最終整個艙門共計減重 25.49Kg。某型貨機貨艙門結構優(yōu)化設計過程中形成的技術路線和流程方法，可以為后續(xù)艙門優(yōu)化 設計提供經(jīng)驗和規(guī)范，有助于提高產(chǎn)品設計水平，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