【摘 要】民用飞机气密框位于飞机主起舱开口的两端，主要起着气密承压的作用，其表面布置一批加强件以承担气密载荷，加强件与气密腹板使用铆钉连接，气密腹板受铆钉头作用在气密载荷反复加载下会发生疲劳失效。本文通过有限元软件对此结构形式进行仿真模拟以校核其疲劳强度。
【关键词】民用飞机；气密框；有限元分析；疲劳强度；DFR
Design and Analysis on the Reinforcement Components of Airtight Frame of Civil Aircraft
LI Wei-han
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）
【Abstract】Civil aircraft airtight frame is located in both ends of the aircraft main landing gear cabin， mainly bear the airtight pressure load.A number of reinforcement components to bear the airtight pressure load on the surface，.Reinforcement components and airtight web are connected with rivets.The fatigue failure of the airtight web occurs under repeated loading of airtight loads and the effect of the head of rivet.In this paper，the finite element software is used to simulate the fatigue strength of this structure above.
【Key words】Civil Aircraft；Airtight Frame；Finite Element Analysis；Fatigue Strength；DFR
0 引言
民用飞机在巡航高度飞行时通常需要对客舱进行增压，位于主起舱开口两端的气密框会承担气密载荷，每次起飞降落循环会构成一次循环气密载荷。在大量飞行架次后，一些位置会出现疲劳裂纹，本文从易出现疲劳裂纹处的应力分析入手，使用有限元[1]模拟校核疲劳强度，指导结构设计。分析过程中所用的载荷来自某民用机型气动试验数据。
1 气密框结构与受力分析
通常气密框位于主起舱开口两端，本文主要分析设计要求较高的后气密框，典型气密框主要由气密腹板，立柱，横向加强件组成，在加压时，气密腹板承受气密载荷，立柱和横向加强件提供刚度，把气密腹板分隔成数个小区域。立柱设計时一般为厚壁机加件，刚度较大，与气密腹板连接时变形较小；横向加强件为“L”形型材，厚度2mm，材料为2024铝合金，在受到气密载荷时变形较大，导致周边结构存在较大的应力，因此本文主要考虑自身刚度较低的横向加强件附近的强度问题，结构示意如图1所示。
通过整体有限元模型计算，发现在“立柱-腹板-横向加强版”共铆的位置是高应力区，此处细节结构受力分析如图2所示。
可以看出，与立柱连接的紧固件在气密载荷下局部受弯，零件在钉头的作用下造成钉孔附近局部区域弯曲应力较高，多次重复后表现为紧固件孔边出现裂纹。
2 有限元分析与校核
对整体结构进行建模，采用二维壳单元建立整体模型，单元尺寸10mm，采用MSC.Nastran Sol 106求解器进行非线性求解，主要考虑几何非线性，在腹板上施加0.05MPa的压力模拟巡航高度下的气密压差载荷。计算结果如图3所示。
对上述应力严重区域进行细节建模，紧固件截面模型如图4所示，采用三维实体单元进行模拟，最小单元尺寸为0.5mm，紧固件、横向加强件和气密腹板均采用三维实体建模，三者之间定义接触边界条件。在腹板上施加相同的气密载荷，边界采用对称边界约束。用Abaqus软件进行非线性求解，主要考虑几何非线性和接触，计算结果如图5所示，对应腹板上的应力分布如图6所示。
可以看出，横向加强件与立柱连接处的腹板孔边最大应力为289MPa，对应结构的的DFR[2]为120.9MPa，计算出疲劳裕度[3]为0.27，满足设计要求。
3 总结
本文使用有限元模拟的方法，计算分析了飞机气密框结构的应力情况，得出典型结构的疲劳裕度，指导飞机设计工作。
未来的飞机结构设计中，可以在细节设计中广泛使用此类设计方法，在满足疲劳设计要求的情况下尽可能优化结构形式；在保证安全的情况下尽可能减轻重量，做到更高效更经济，提高我国民用飞机的市场竞争力。
【參考文献】
[1]叶天麒，周天孝，主编.航空结构有限元分析指南[M].航空工业出版社，1996.
[2]陈滨琦，曾建江，王一丁，童明波.DFR法在结构疲劳优化设计中的应用[J].航空学报，2013（5）：1122-1128。
[3]刘永寿，袁修开，刘军，岳珠峰.结构细节疲劳额定值DFR及其试验方法的研究[J].实验技术与管理，2008（1）：27-29.
[责任编辑：田吉捷]
