民机舱门开口结构补强设计分析

李林

摘要：本文分析了民用飞机舱门开口对机身总体受力系统的影响，通过对局部结构的受力分析，采用开口补强结构传导相应的载荷。

关键词：半硬壳式结构， “堵塞式”舱门设计

现代民机的机身是一种加强的壳体，这种壳体通常称为“半硬壳式结构”。其由纵向元件（如桁梁与长桁）、横向元件（如隔框）以及外蒙皮构成。桁梁承受机身大部分弯矩以及弯矩所引起的轴向力，机身蒙皮承受横向外载荷与扭矩引起的剪切力以及座舱增压载荷。

民用飞机必须有人员出入的舱门，这些舱门由于使用需要，通常布置在结构高载荷区域，开口切断了半硬壳式机身的总体传力构件，导致开口部位出现严重的应力集中。飞机适航条例要求，在各种情况下用于旅客进出的所有舱门要能够迅速打开，同时保证飞机增压舱的安全，所以客机舱门多采用从里向外关闭的“堵塞式”设计。这种关闭方式设计的舱门只承受舱压引起的环向张力，而机身上的在开口部位的大部分拉伸和剪切载荷要由舱门周围结构承担。

本文从分析飞机机身开口对机身载荷传递的影响，提出如何在开口周围布置额外的加强结构来承受这些载荷。

1.机身开口对总体受力系统影响分析

根据机身总体受力系统的传力状态及舱门的关闭方式来分析开口处重新分布的载荷。先分别考虑每一种情况，然后再把四种情况结合起来考虑，以便拟定每一构件最危险的设计情况。

情况Ⅰ机身蒙皮剪力—考虑各种飞行条件；

情况Ⅱ截断长桁载荷—考虑各种飞行条件；

情况Ⅲ纵向和周向拉伸载荷—座舱增压条件；

情况Ⅳ插塞压力和门销座的再分布效应。

⑴情况Ⅰ机身蒙皮剪力—考虑各种飞行条件

①没开口时蒙皮各处剪流设为q0；

②在开口处施加一大小相等方向相反的剪流，并将剪流增量（带△的剪流）分配给周围各板；

③合并①和②剪流，就得到开口区域实际情况下的剪流分布情况，这时开口处剪流为零。

图1 开口周围板最终重新分布的剪流

从上述可得知，如果需要作开口，可以用元件制成梁和框，在开口周围制成口框结构，由结构自身平衡剪流作用使开口边缘合力为零。

⑵ 情况Ⅱ截断长桁载荷—考虑各种飞行条件

这里考虑的是由开口前、后两边的断长桁所引起的蒙皮上的附加剪流。假设开口四个角无约束，断长桁的载荷沿开口两侧向口框梁（上述情况Ⅰ设定）扩散。

⑶ 情况Ⅲ 纵向和周向拉伸载荷—座舱增压条件

① 在开口边缘铺设框、梁元件后（情况Ⅰ设定），客舱增压时，在开口区域上、下的环形张力和前、后的纵向张力会通过开口边缘的蒙皮以剪流型式分别扩散到边缘框、梁上去。

②四个角板的剪流

把开口四角看成在组合压力作用下发生弯曲，并根据上、下蒙皮和两侧蒙皮的相对刚度确定四角板剪流。

⑷ 情况Ⅳ 插塞压力和门销座的再分布效应

从里向外关闭的 “堵塞式”舱门设计，就是要有阻止舱门在座舱压力作用下向外移动的止动挡块，使门上载荷通过门销座分配给前、后边缘框。由于门销座与边缘框有些偏心，因而会在边缘框上产生偏心力矩。这些偏心力矩可在边缘框另一侧布置加强肋来平衡。

2. 开口加强结构方案的确定

堵塞式舱门开口通常长宽比大约是l/h<0.6。舱门为侧开式。开口切断了机身的总体传力系统，要满足适航条例关于这种舱门的设计要求，机身上的切断结构的拉伸和剪切载荷就要由舱门周围结构承担。对被破坏的结构按静强度、耐久性设计准则和破损-安全理论对开口周围进行补强设计。

上述四种重分布的载荷叠加作用，可以得出，由于开口的原因使局部剪流加大，为平衡开口边缘剪流同时承载加大区域的剪流，要在开口的上、下，前、后分别布置薄壁组合梁、框，组合梁自开口边缘前、后延伸段约为开口高度的0.5倍。在开口区域蒙皮内、外侧铺设铝合金加强板。此外，还在开口周边框上设置传递门上气密载荷的止动挡块及加强肋。

由于开口尺寸相对较大，在机身总体受力状态下，开口区域存在撕裂扭力。为平衡扭力同时满足破损-安全设计准则，要把开口加强结构布置成盒式结构。从飞机的总体布置图可知，在开口边缘框前、后邻近处布置有机身隔框，因此可将边缘框左、右侧的加强肋按断开的长桁的格局进行布置同时连接到邻近的隔框上，这样既可将边缘框与邻近隔框连接成盒段，同时又替代长桁传力和支撑蒙皮。在开口区上、下区域机身纵向只布置有长桁，由于长桁相对较弱，所以要在相应位置截断长桁，局部加强布置成桁梁结构与边缘梁及边缘框组成盒段结构。为保证开口四角在扭力作用下，降低局部剪切应力水平同时增强边缘框、梁抗扭能力，要在边缘框、梁连接处内、外侧布置搭接板，这样边缘框、梁及蒙皮、搭接板也组合成盒式结构。这种单框双梁式设计结构简单，传力路线清晰，同一构件避免复合受力体现了耐久性设计原则；同时也符合等强度理论原则和破损-安全设计理论。

按上述分析，對于“堵塞式”舱门开口设计如下：

4.结束语

对机身舱门开口的补强设计，不仅要考虑将断开的载荷如何再分布传递出去，还要兼顾周围机身结构的总体布局，以及补强结构要选用抗应力、耐疲劳材料和零件制造工艺性。此构型已得到了某民用飞机相关部位设计的实际论证。

参考文献：

[1]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册.第10册.航空工业 出版社.2000

[2]牛春匀 实用飞机结构工程设计.航空工业出版社.2008.10