基于SolidWorks Simulation的某型号飞机应急舱门优化设计

Vol.33,No.1Jan.,2017

基于SolidWorks Simulation的 某型号飞机应急舱门优化设计

辛顺强，李刚

(安徽电子信息职业技术学院，安徽蚌埠233041 )

摘要：米用有限兀法，以某型号飞机应急舱门的设计为研究对象，探讨基于SolidWorks Simulation的有限兀法在航 空器设计过程中的应用。首先应用SolidWorks软件建立飞机应急舱门的三维模型，然后应用SolidWorks Simulation 进行舱门的静力学分析计算，优化舱门的三维模型。实践证明，基于SolidWorks Simulation的有限元法对航空器的 设计质量有明显的提高。

关键词：SolidWorks Simulation;有限元法；航空器；航空器中图分类号：V223+.9

文献标志码：及

文章编号：1007-984X(2017)01-0040-04

飞机应急舱门是飞机上具有运动功能的部件，它的安全性和可靠性，直接关系到紧急情况下机上人员 的安全。如果设计强度不足，可能发生飞行时应急舱门的意外打开，造成泄压，改变飞行空气动力学布局， 严重时会导致飞机解体坠落；若设计过强，则会导致结构增重，影响飞机的经济性[1-3]。因此，基于有限元

法的飞机应急舱门优化设计应运而生。张友坡[1]采用SOL101求解器对典型飞机舱门结构的有限元仿真技术 进行了研究。阎修权，张方[2]利用MSCNastran，MSCAdams，MSC Fatigue联合分析舱门在风载荷作用下的 强度，得到该舱门在该风载作用下的疲劳强度。冯玉龙，方雄[3权利用Patran/Nastran软件对舱门与机体主承 载结构之间的相对变形进行了研究。

SolidWorks Simulation是一个集成于SolidWorks的有限元分析系统，它可进行静应力分析、热力分析、

弯曲分析、疲劳分析和跌落测试等分析。SolidWorks Simulation解算器快速、功能强大，工程师能够使用个 人计算机快速解决大型有限元分析问题14,5权。

本文研究了应用SolidWorks Simulation软件，基于有限元法的飞机应急舱门优化设计方法。

1飞机应急舱门的SolidWorks建模

某型号飞机应急舱门结构示意图如图1所示，其结构由纵梁、横梁、围框、挡块、内蒙皮、外蒙皮构 成。

截取飞机曲面，以飞机气动曲面作为建模的基础。使用SolidWorks软件的曲面剪裁、曲面加厚，组合 等命令制作一系列零件；然后自下而上装配，保存为SLDPRT格式文件，建模完成。三维模型如图2所示。

应急舱门各主要受力部件功能如下：

(1) 横梁：机加件，重要受力件，将弯曲载荷传递给围框。

(2) 围框：机加铆接组件，重要传力件，将舱门传递的载荷传递给挡块。(3) 挡块：机加件，将整个舱门传递的载荷传递给飞机机体。

(4) 纵梁：机加件，连接件，将横梁连成一体，提高横梁的整体承力能力。

(5) 内外蒙皮：钣金拉伸件，连接件，同时承受舱门内外压力差，将载荷传递给梁和围框。

收稿日期：2016-10-09

基金项目：安徽省高校自然科学研究重点项目（KJ2016A051);安徽省高等教育振兴计划重大教学改革研究项目

(2015z%188);安徽电子信息职业技术学院教科研重点项目（ADZX1601)

作者简介：辛顺强（ 1983-)，男，安徽濉溪人，讲师/工程师，工学硕士，主要从事机电一体化系统集成技术及加工过程的

有限元仿真技术，xinshunq@163.com。

第1期

基于SolidWorks Simulation的某型号飞机应急舱门优化设计• 41 •

图1应急舱门结构示意图图2应急舱门三维模型

1-纵梁，2-横梁，3-围框，4-挡块，5-内蒙皮，6-外蒙皮

2飞机应急舱门的SolidWorks有限兀分析

有限兀分析(finite element analysis, FEA)是将连续体离散化，通过对有限单兀插值求解各种力学、物理

问题的数值分析。

有限元法冲破了传统力学理论的束缚，提高了复杂应力分析的精度和效率。本文采用SolidWorks

Simulation完成有限元分析及结构优化。建立有限元模型是进行有限元分析的前提，也是提高分，缩短产品

投向市场的时间D

2.1设置材料属性

飞机应急舱门拟选用钛合金Ti-8Mn或铝合金 7050-T7651，材料参数如表1所示。SolidWorks

materials材料库中有这两种材料，可以分别直接选用。

属性弹性模量泊松比抗剪模量张力强度屈服强度

表1材料参数

铝合金7050-T7651参数

7.2x1010 N/m2

0.332.69x1010 N/m25.5x108 N/m24.9x108 N/m2

钛合金T1-8M参数1.15x1010N/m2

0.334.9x1010 N/m29x108 N/m28.1x108 N/m2

2.2建立力学模型

根据应急舱门所处位置的结构和功能，挡块的位 移由飞机机体的变形决定，本文可忽略挡块的位移； 选择夹具为固定，通过固定几何体，固定挡块的位移。

假设飞机在5000m高空飞行，此时飞机舱内外压 差位0.5个大气压，压力方向由内向外；选择外部载荷

零部件接触类型设定为结合，全局接触，兼容网:2.3划分网格

£力，压力受力面为内蒙皮内表面。

力学模型如图3所示。

划分网格是有限元分析中的重要环节，网格的优劣直接影响到有限元分析的成败。根据应急舱门的结 构特点和载荷类型选择实体网格，网格采用雅可比4点网格，网格划分后的效果如图4所示

图3力学模型图4网格划分

2.4运行求解

应用SolidWorks Simulation默认的求解器FFE，分别运行求解得到，选用钛合金Ti-8Mn材料应急舱门的

• 42 •齐齐哈尔大学学报（自然科学版）2017 年

合应力、合应变和合位移变化量如图5.a、图5.决和图5.e所示；选用铝合金7050-T7651材料应急舱门的合应 力、合应变和合位移变化量如图5.b、图5.d和图5.f所示。

图5.a Ti-8Mn材料舱门合应力云图图5.b 7050-T7651材料舱门合应力云图

图5.c Ti-8Mn材料舱门合应变云图图5.d 7050-T7651材料舱门合应变云图

图5.e Ti-8Mn材料舱门合位移云图图5.f 7050-T7651材料舱门合位移云图

3飞机应急舱门的优化设计

合应变最大绝对值、合位移最大绝对值可从图5中读出，同样的方法可获得合应力、各方向分量等参数

的最大绝对值，舱门质量可通过评估舱门质量属性获得。上述参数如表2所示。

显然，两种材料的舱门所承受的合应力及X, 7, Z三个方向的分应力基本相同，7方向的应力为主应力方 向，图5.a与图5.b中均显示承受应力最大的结构是挡块。

钛合金Ti-8M材料的舱门应变比铝合金7050-T7651材料的舱门应变稍小，但基本在同一个数量级，7方 向应变较大，由云图可知应变最大的结构是挡块。

钛合金Ti-8M材料的舱门合位移比铝合金7050-T7651材料的舱门合位移稍小，发生合位移最大的部位 在舱门中部偏上；发生X方向位移最大的结构是挡块；发生Y方向位移最大的部位是舱门左右两侧，舱门两 侧的位移方向相反；发生Y方向位移最大的部位是舱门上部。

两种材料的舱门质量相差较大，再结合加工工艺性，铝合金舱门较合适。挡块可选择钛合金材料或进 行加强处理。

第1期基于SolidWorks Simulation的某型号飞机应急舱门优化设计

表2

属性质量合应力z方向应力r方向应力z方向应力

• 43 •

有限元计算结果

铝合金7050-T7651舱门参数

22.4 kg25.02 MPa12.11 MPa26.98 MPa10.74 MPa1.987x10-41.825x10-43.708x10-41.527x10-41.371x10-1 mm1.367x10-1 mm1.76x10-2 mm1.683x10-2 mm

舱门参数37.45 kg25.01MPa12.11 MPa26.95 MPa10.75 MPa1.244x10-41.140x10-42.321x10-49.560x10-58.574x10-2 mm8.549x10-2 mm1.102x10-2 mm1.020x10-2 mm

合应变z方向应变r方向应变z方向应变

合位移z方向位移r方向位移z方向位移

4结束语

雄。：^1。如Emulation和雄。仙1。如可无缝融合，避免从三维软件向有限元分析软件传递数据时出现错 误。BolidWorks Bimulation优先的前处理功能大大提高了工程师的工作效率，BolidWorks Bimulation的输出报 表功能高效的为工程师提供分析报告模板。

本文具体分析了两种材料的舱门的强度及质量，在相同的载荷条件下钛合金变形比铝合金变形稍小， 但是钛合金质量较重、工艺性较差，铝合金7050-T7651为制造舱门较合适的材料。挡块承受的应力较大， 变形较明显，在设计时挡块应进行加强处理，挡块与围框相结合的部位也应做相应的加强处理。参考文献：

[1] 张友坡.基于有限元法的飞机舱门结构仿真技术[J].中国高新技术企业，2013 (7):21-24[2] 阎修权，张方.飞机舱门在风载作用下的强度[J].计算机辅助工程，2006，15(S1): 39-41[3] 冯玉龙，方雄光飞机舱门结构相对位移的分析方法[J].应用数学和力学，2014 (11):95-98

[4] 陈永当，鲍志强，任慧娟，等.基于SolidWorks Simulation的产品设计有限元分析[J].计算机技术与发展，2012(9):177-180[5] 宋振朋，张立中.基于SolidWorks Simulation动平台激光通信用稳瞄转台O型架的有限元分析及优化[J].机械研究与应用，

2016(4):23-25

Optimization design of emergency hatch of a certain model airplane based on SolidWorks Simulation

XIN Shun-qiang， LI Gang

(Anhui Vocational Electronics & Information College，Anhui Bengbu 233041，China )

Abstract: In this paper，finite element method is used to study the design of the emergency hatch of a certain type

aircraft，and the application of finite element method based on SolidWorks Simulation in the aircraft design process is discussed. Firstly，the 3D model of aircraft emergency hatch is established by using SolidWorks software，then the static analysis and calculation of the hatch door are carried out by SolidWorks Simulation，and the 3D model of the door is optimized. Practice has proved that the finite element method based on SolidWorks Simulation has improved the design quality of the aircraft obviously.

Key words: SolidWorks Simulation; finite element method; aircraft; emergency door