飛機應急艙門是飛機上具有運動功能的部件，它的安全性和可靠性，直接關係到緊急情況下機上人員的安全。如果設計強度不足，可能發生飛行時應急艙門的意外打開，造成洩壓，改變飛行空氣動力學佈局，嚴重時會導致飛機解體墜落;若設計過強，則會導致結構增重，影響飛機的經濟性。因此，基於有限元法的飛機應急艙門優化設計應運而生。張友坡[1]採用SOL101 求解器對典型飛機艙門結構的有限元仿真技術進行了研究。閻修權，張方利用MSC Nastran，MSC Adams，MSC Fatigue聯合分析艙門在風載荷作用下的強度，得到該艙門在該風載作用下的疲勞強度。馮玉龍，方雄利用Patran/Nastran軟件對艙門與機體主承載結構之間的相對變形進行了研究。
SolidWorks Simulation 是一個集成於SolidWorks的有限元分析系統，它可進行靜應力分析、熱力分析、彎曲分析、疲勞分析和跌落測試等分析。SolidWorks Simulation解算器快速、功能強大，工程師能夠使用個人計算機快速解決大型有限元分析問題。
本文研究了應用SolidWorks Simulation軟件，基於有限元法的飛機應急艙門優化設計方法。
1 飛機應急艙門的SolidWorks建模
某型號飛機應急艙門結構示意圖如圖1 所示，其結構由縱梁、橫樑、圍框、擋塊、內蒙皮、外蒙皮構成。
截取飛機曲面，以飛機氣動曲面作為建模的基礎。使用SolidWorks 軟件的曲面剪裁、曲面加厚，組合等命令製作一系列零件;然後自下而上裝配，保存為SLDPRT格式文件，建模完成。三維模型如圖2所示。
應急艙門各主要受力部件功能如下：
(1)橫樑：機加件，重要受力件，將彎曲載荷傳遞給圍框。
(2)圍框：機加鉚接組件，重要傳力件，將艙門傳遞的載荷傳遞給擋塊。
(3)擋塊：機加件，將整個艙門傳遞的載荷傳遞給飛機機體。
(4)縱梁：機加件，連接件，將橫樑連成一體，提高橫樑的整體承力能力。
(5)內外蒙皮：鈑金拉伸件，連接件，同時承受艙門內外壓力差，將載荷傳遞給梁和圍框。
圖1 應急艙門結構示意圖
圖2 應急艙門三維模型
1- 縱梁，2- 橫樑，3- 圍框，4- 擋塊，5- 內蒙皮，6- 外蒙皮
2 飛機應急艙門的SolidWorks有限元分析
有限元分析(finite element analysis, FEA)是將連續體離散化，通過對有限單元插值求解各種力學、物理問題的數值分析。
有限元法衝破了傳統力學理論的束縛，提高了複雜應力分析的精度和效率。本文采用SolidWorks Simulation完成有限元分析及結構優化。建立有限元模型是進行有限元分析的前提，也是提高分，縮短產品投向市場的時間。
2.1 設置材料屬性
飛機應急艙門擬選用鈦合金Ti-8Mn或鋁合金7050-T7651，材料參數如表1 所示。SolidWorks materials材料庫中有這兩種材料，可以分別直接選用。
2.2 建立力學模型
根據應急艙門所處位置的結構和功能，擋塊的位移由飛機機體的變形決定，本文可忽略擋塊的位移;選擇夾具為固定，通過固定幾何體，固定擋塊的位移。
假設飛機在5000m高空飛行，此時飛機艙內外壓差位0.5個大氣壓，壓力方向由內向外;選擇外部載荷為壓力，壓力受力面為內蒙皮內表面。
零部件接觸類型設定為結合，全局接觸，兼容網格。力學模型如圖3所示。
2.3 劃分網格
劃分網格是有限元分析中的重要環節，網格的優劣直接影響到有限元分析的成敗。根據應急艙門的結構特點和載荷類型選擇實體網格，網格採用雅可比4點網格，網格劃分後的效果如圖4所示
表1 材料參數
圖3 力學模型
圖4 網格劃分
2.4 運行求解
應用SolidWorks Simulation默認的求解器FFE，分別運行求解得到，選用鈦合金Ti-8Mn材料應急艙門的合應力、合應變和合位移變化量如圖5.a、圖5.c和圖5.e所示;選用鋁合金7050- T7651材料應急艙門的合應力、合應變和合位移變化量如圖5.b、圖5.d和圖5.f所示。
3 飛機應急艙門的優化設計
合應變最大絕對值、合位移最大絕對值可從圖5中讀出，同樣的方法可獲得合應力、各方向分量等參數的最大絕對值，艙門質量可通過評估艙門質量屬性獲得。上述參數如表2所示。
顯然，兩種材料的艙門所承受的合應力及X, Y, Z三個方向的分應力基本相同，Y方向的應力為主應力方向，圖5.a與圖5.b中均顯示承受應力最大的結構是擋塊。
鈦合金Ti-8M材料的艙門應變比鋁合金7050- T7651材料的艙門應變稍小，但基本在同一個數量級，Y方向應變較大，由雲圖可知應變最大的結構是擋塊。
鈦合金Ti-8M材料的艙門合位移比鋁合金7050- T7651材料的艙門合位移稍小，發生合位移最大的部位在艙門中部偏上;發生X方向位移最大的結構是擋塊;發生Y 方向位移最大的部位是艙門左右兩側，艙門兩側的位移方向相反;發生Y 方向位移最大的部位是艙門上部。
兩種材料的艙門質量相差較大，再結合加工工藝性，鋁合金艙門較合適。擋塊可選擇鈦合金材料或進行加強處理。
表2 有限元計算結果
4 結束語
SolidWorks Simulation和SolidWorks可無縫融合，避免從三維軟件向有限元分析軟件傳遞數據時出現錯誤。SolidWorks Simulation優先的前處理功能大大提高了工程師的工作效率，SolidWorks Simulation的輸出報表功能高效的為工程師提供分析報告模板。
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