戴詩龍

摘 要：文章論述了某型機(jī)艙門框減重設(shè)計(jì)過程，提出多種方案并進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：艙門框；減重；設(shè)計(jì)

1 引言

飛機(jī)的費(fèi)用與其重量直接相關(guān)，因此在設(shè)計(jì)飛機(jī)的時(shí)候，應(yīng)該盡可能減小飛機(jī)的重量。減重設(shè)計(jì)在飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中是很常見并且很實(shí)用的一種設(shè)計(jì)方法。

在飛機(jī)的重量組成中，結(jié)構(gòu)重量是其重要的組成部分。飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重量控制在飛機(jī)設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵。

2 任務(wù)描述

為了降低飛機(jī)運(yùn)營成本，某型機(jī)提出了艙門的減重要求。其中一艙門為機(jī)身前段的左艙門，其總重約為100kg，減重目標(biāo)為10%。艙門中間位置第四框主要由四個(gè)部件組成。兩個(gè)主框段001和003，一個(gè)盒形件002，一個(gè)型材件004。材料為鋁合金7175和2024。

此框的001框段和003框段為框的主要構(gòu)件，起主要的承力作用。002盒形件，連接兩個(gè)相鄰框腹板，并和密封板，梁凸緣，框段凸緣一起，起到支撐密封處內(nèi)蒙皮的作用。004型材件為連接件，連接框和梁。

CATIA V5應(yīng)用于3D建模、強(qiáng)度分析和重量分析。設(shè)計(jì)流程見下圖：

3 減重方案的提出

a.方案一：材料優(yōu)化，選擇新材料

此框的零件都是通用的鋁合金材料。7175是一種以鋁鋅為主要合金的高強(qiáng)度鍛鋁材料，在靜強(qiáng)度，抗疲勞，損傷容限，抗腐蝕，應(yīng)力腐蝕開裂等各方面都表現(xiàn)優(yōu)異。2024是一種以鋁銅為主要合金的鋁合金材料，在抗疲勞，損傷容限方面有很好的性能，但是在靜強(qiáng)度上不是很好。如果想改變材料來減輕重量，那么選擇的替代材料必須強(qiáng)度性能與原來相當(dāng)或者更優(yōu)，但重量更輕。

鋁鋰合金是一種低密度、高模量、高比強(qiáng)度和高比剛度的鋁合金。這種新型的鋁合金材料，目前主要應(yīng)用在一些民航客機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)上。相對(duì)其它的通用鋁合金，Al-Li合金有如下優(yōu)點(diǎn)。

低密度：每1%的Li能帶來3%的密度減少。

高強(qiáng)度：每1%的Li能帶來5%的強(qiáng)度模量增加。

維修兼容性：已定義的關(guān)于鋁合金結(jié)構(gòu)維修標(biāo)準(zhǔn)都適用于Al-Li合金結(jié)構(gòu)。

b.方案二：尺寸優(yōu)化，降低強(qiáng)度裕度

框的零件中，考慮到機(jī)加件的強(qiáng)度比較好，余度較大，所以在方案建議中，考慮是否能將框段的主要尺寸減少。比如將001和003框段原來的厚度2.0減少到1.6mm。002盒形件凸緣高度降低，上下各降低5mm，厚度也由原來的2.0和3.0分別減少到1.8和2.6，（如圖2a）。對(duì)于004型材，其主要是起連接框和梁的作用，結(jié)合旁邊的環(huán)境，考慮只將它的長度減少。這樣做必然會(huì)對(duì)其強(qiáng)度或者剛度有所削弱，但是只要強(qiáng)度還在許用范圍內(nèi)，那這個(gè)方案可以接受。

c.方案三：構(gòu)形優(yōu)化，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)形式

上框段001和下框段003，由于其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，承擔(dān)著此框的主要功能。所以對(duì)其結(jié)構(gòu)形式不做改變。盒形件002，考慮是否可以改成板金件（如圖2b），但是厚度由原來平均2.0改成3.0。

4 減重方案的分析

a.對(duì)方案一的分析

從提高材料的性能和減少重量方面來考慮，換成Al-Li合金確實(shí)是一種合適之選。但是鋁與鋰的熔點(diǎn)及密度相差4倍以上，為熔煉及加工帶來很大困難，相應(yīng)會(huì)帶來成本的增加。所以，把它作為一個(gè)次選方案；

b.對(duì)方案二的分析

在對(duì)方案二的分析中，主要是安裝協(xié)調(diào)和強(qiáng)度分析。

安裝協(xié)調(diào)性要保證不能與周圍系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)的裝配，管路通路等產(chǎn)生影響和干涉。零件所受的最大應(yīng)力是檢驗(yàn)強(qiáng)度的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。零件的變形，它表征了零件的剛度性能。

下面以002盒形件為例。其主要更改為腹板和凸緣的厚度、高度。經(jīng)過協(xié)調(diào)之后，這些尺寸的更改，不會(huì)影響到周圍系統(tǒng)的安裝，也不會(huì)與周圍的結(jié)構(gòu)件和系統(tǒng)件發(fā)生干涉。

通過CATIA靜強(qiáng)度分析，可知更改前、后最大應(yīng)力值分別為73、77MPa，最大位移為0.225、0.242mm。最大應(yīng)力值和變形量變化都很小，滿足原來的要求。

c.對(duì)方案3的分析

方案3主要是對(duì)002盒形件進(jìn)行更改。將機(jī)加件改成板金件。對(duì)周圍環(huán)境的影響分析，這個(gè)方案對(duì)零件改動(dòng)較大，在連接上，三個(gè)連接面的鉚釘數(shù)量由原來的雙排，改為一排。這對(duì)鉚釘?shù)膹?qiáng)度要求有所提高。它周圍沒有系統(tǒng)與之連接，所以對(duì)周圍不會(huì)產(chǎn)生影響。

強(qiáng)度分析發(fā)現(xiàn)更改后所受最大應(yīng)力值增加了一倍，變形量增加了三倍。不符合強(qiáng)度要求，所以這個(gè)方案不能采用。

5 減重計(jì)算

從上節(jié)的方案分析結(jié)果，可以確定方案二（即更改尺寸）為首選方案，方案一（更換材料）為次選方案。方案三（更改結(jié)構(gòu)形式）不能實(shí)行。

通過CATIA重量分析得出，更改前框重量1433g，實(shí)行方案二更改尺寸后重量1302g，減重131g，占比9.1%；如果再考慮方案一更換材料，則重量為1209g，減重224g，占比16%。

所以，僅實(shí)施方案二，減重值接近任務(wù)目標(biāo)值。如果再考慮方案一，則整個(gè)框能超出任務(wù)值6%，減重效果明顯。

6 結(jié)束語

此次減重設(shè)計(jì)是在原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。方案從制定、分析，再到實(shí)施，整個(gè)過程包含循環(huán)與反饋。當(dāng)然，就此框而言，其減重方案還有很多，應(yīng)該考慮的因素還很多，比如失穩(wěn)，疲勞，整體的剛度等等。這些因素構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)環(huán)境。多做方案，分析全面，在符合各項(xiàng)要求的基礎(chǔ)上達(dá)到最輕重量。

參考文獻(xiàn)

[1]丁文匯，王渠東，劉滿平.高技術(shù)發(fā)展報(bào)告-輕合金技術(shù)新進(jìn)展.

[2]王南壽，王昂，毛德華，高占民，等.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè).結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).北京：航空工業(yè)出版社.

[3]陳俊章.重量平衡與控制[M].航空工業(yè)出版社.