一种基于有限元方法的飞行器舱门密封载荷计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于有限元方法的飞行器舱门密封载荷计算方法，属于飞行器机 构设计领域。
【背景技术】
[0002] 舱门是飞行器的重要组成部分，它由两扇大尺度、空间曲面对开式舱门及开闭、锁 紧机构组成，能实现自动重复开闭、锁紧等动作，并具有良好的密封性能。舱门边界密封在 舱门关闭过程中对开闭机构和锁紧机构产生负载力矩，如何精确计算舱门密封负载力矩是 舱门机构设计的关键技术之一。一方面密封负载是舱门机构设计的输入条件，须在设计初 期开展；另一方面，舱门密封包含舱门、密封条和支架（飞行器机身支撑舱门的结构）之间 的相互作用，存在大变形、接触和材料非线性。传统的三维有限元分析方法存在由密封条和 舱门尺寸悬殊引起的网格划分难、密封条自由放置引起的约束难、非线性引起的收敛难等 诸多问题，亟需一种高效率高精度的飞行器舱门密封载荷设计方法。
[0003] 张友坡在《基于有限元法的飞机舱门结构仿真技术》中对典型飞机舱门结构的有 限元仿真技术进行了研究，使用MSC. PATRAN软件建立了典型舱门主承力结构的有限元模 型，并用MD. NASTRAN软件进行了计算，但并未提及密封载荷的计算。王广振、池长青、王之 珊、赵国伟在《〇形圈密封载荷衰减研究》中介绍了利用平板压缩法测试两种硅橡胶材料〇 形圈的载荷及其衰减规律情况。对于飞行器舱门密封载荷的计算及测试还未见到公开的文 献。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于有限元方法的飞行器舱门 密封载荷计算方法，解决飞行器舱门自动开闭过程中由密封引起的力矩计算的问题。
[0005] 本发明目的通过如下技术方案予以实现：
[0006] 提供一种基于有限元方法的飞行器舱门密封载荷计算方法，包括如下步骤：
[0007] (1)把密封条受力简化为平面应变状态，利用有限元分析软件对密封条、与密封条 接触的支架局部和与密封条接触的舱门局部进行建模、加载、定义接触，求出单位长度密封 条压缩需要的力；所述密封条在支架和舱门之间；
[0008] (2)利用有限元分析软件在舱门铰链处定义转动副并约束转动角位移，同时在密 封位置对舱门施加与单位长度密封压缩力等效的压强，从而得到铰链的支反力矩，即为舱 门密封载荷。
[0009] 其中，步骤（1)具体为：利用密封条、所述舱门局部和所述支架局部的横截面尺寸 定义几何模型，密封条利用对称线将截面取一半，将舱门与密封条接触区域截面近似为平 面，支架取与密封条接触区域的局部截面，利用有限元分析软件在XY平面内进行建模，所 取舱门局部截面一端、支架的局部截面一端与密封条的对称线在同一直线内，X轴平行于该 直线，Y轴垂直于该直线；在密封条和舱门以及密封条和支架之间分别定义带摩擦的接触， 摩擦系数均取值在0.01-1之间，接触刚度均取值在0.1-10之间；选择网格的单元类型为 平面应变单元，单元形状以四边形为主，并要求在密封条的厚度方向有2层或2层以上的网 格；在所述直线上对舱门、支架和密封条施加 Y方向约束，支架外侧施加 X方向的位移载荷， 舱门外侧施加 X方向约束；求解舱门外侧支反力，该支反力的2倍即为单位长度密封条压缩 需要的力。
[0010] 其中，求解舱门外侧支反力还包括，求解步数设置为5-20步；根据每步的压缩量 及对应的单位长度密封条压缩需要的力，得到压缩量和单位长度密封条压缩需要的力的关 系。
[0011] 其中，步骤（2)具体为：在有限元分析软件中导入舱门三维模型，并利用对称性 在舱门转轴中点，用垂直于转轴的平面将舱门分割成两半，取一半；在舱门的密封条接触位 置切割出Imm宽度的密封压力加载区，在铰链处定义舱门和大地之间的转动副；在舱门内 表面密封压力加载区施加与单位长度密封条压缩所需要的力大小相等的压强；定义铰链处 转动角位移为〇,求解后输出所取半个舱门铰链处的支反力矩，支反力矩的2倍即为舱门密 封负载力矩，即舱门密封载荷。
[0012] 其中，求解舱门密封载荷还包括，求解步长设置为1-5步；计算舱门密封条负载力 矩和单位长度密封条压缩需要的力的比例关系，利用该比例关系和压缩量和单位长度密封 条压缩需要的力的关系，计算密封条压缩量和舱门密封条负载力矩的关系。
[0013] 优选的，采用的有限元分析软件为ANSYS软件。
[0014] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0015] (1)本发明的计算方法解决了飞行器舱门自动开闭过程中由密封引起的力矩计算 问题，为舱门自动开闭机构的设计提供设计依据，在国内尚属首创。
[0016] (2)本发明采用有限元软件ANSYS计算得到了飞行器舱门密封引起的负载力矩， 计算过程分为两步：第一步求出单位长度密封条压缩需要的力，第二步根据在舱门上施加 该力求出舱门负载力矩。该方法有效的避开了传统三维有限元分析方法难建模、难约束、难 收敛的问题，经两个步骤的合理简化带来了求解效率的显著提高，便于一般工程技术人员 使用，高效快捷。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明整体流程图；
[0018] 图2为本发明单位长度密封条压缩力计算流程图；
[0019] 图3为本发明密封条负载力矩计算流程图；
[0020] 图4为本发明单位长度密封条压缩力计算几何建模示意图；
[0021] 图5为本发明单位长度密封条压缩力计算的舱门支反力结果示意图。
【具体实施方式】
[0022] 计算过程分为两步：（1)把密封条受力简化为平面应变状态，求出单位长度密封 条压缩需要的力；飞行器舱门密封使用空心圆柱形密封条，其轴向尺寸远大于横截面尺寸， 且横截面内的截面形状和所受载荷都近似相同。因此密封条受力情况可简化为平面应变状 态，简化的方式为本领域公知技术；（2)在舱门铰链处定义转动副并约束转动角位移，同时 在密封位置施加与单位长度密封压缩力等效的压强，从而得到铰链的支反力矩，即为舱门 密封载荷。本发明采用有限元分析软件实现，本实施中采用ANSYS。
[0023] (a)利用ANSYS Workbench的静力模块进行单位长度密封条压缩需要的力计算， 具体步骤如下：
[0024] (al)在ANSYS Workbench的工程材料模块中分别定义密封条、支架和舱门的材 料，所述的支架为飞行器机身支撑舱门的结构；材料属性包括弹性模量、泊松比等2类参 数；
[0025] (a2)ANSYS Workbench的几何模块中利用密封条、舱门和支架的横截面的尺寸定 义几何，并利用对称取一半，其中支架和舱门截面做了简化，其中由于舱门曲率半径远大于 密封条横截面曲率半径，将其与密封条接触区域截面近似为平面；定义中，密封条、舱门和 支架必须在独立的3个Front平面中定义，生成3个独立的面物体（surface body);长度 单位取mm ;
[0026] (a3)在密封条和舱门以及密封条和支架之间分别定义带摩擦的接触，其摩擦系数 取〇. 1 ;接触刚度取1 ;网格类型选四边形为主，并要求在密封条的厚度方向有2层网格，然 后划分网格；
[0027] (a4)载荷在支架上施加最大压缩量的X方向位移，上表面为对称面，施加 Y方向约 束，舱门右边施加 Y方向约束；
[0028] (a5)打开大变形选项（Large Deflection设置为on);用定步长，设置计算10步； 选择舱门右边Y方向约束输出支反力；打开大变形选项，进行求解；
[0029] (a6)在支反力的计算结果中，可得到不同时刻的支反力，可折算为不同压缩量的 支反力；由于用了一半模型，此支反力的2倍即为单位密封条长度的支反力，单位为N/mm ;
[0030] (b)如图3所示，利用ANSYS Workbench的静力模块进行舱门密封负载力矩计算， 具体步骤如下：
[0031] (bl)直接引用（al)定义的舱门材料；
[0032] (b2) ANSYS Workbench的几何模块中导入1_0各式的舱门三维CAD模型，并利用对 称在舱门铰链方向取一半；为了密封条支反力施加到舱门的法线方向，利用Slice功能在 舱门接触密封条位置切割出了 Imm宽度的密封压力加载区；
[0033] (b3)在铰链处定义舱门和Groud之间的转动副类型的Joint ;用默认值划分网 格；
[0034] (b4)在舱门内表面密封压力加载区施加单位密封条长度的支反力大小的压力载 荷（单位为MPa);铰链处施加0°转角约束；
[0035] (b