浅谈民用飞机舱门密封结构的气密可靠性

浅谈民用飞机舱门密封结构的气密可靠性

【摘要】采用可靠性思想分析飞机舱门密封结构参数对密封性能的影响。对两种型号的舱门密封带进行整体规格的压缩实验，将关门行程、装配尺寸、挡件尺寸等视为随机变量，采用有限元软件对两种密封带的气密可靠性进行比较，得到了密封结构参数的均值灵敏度和方差灵敏度，对舱门密封带选型与结构的优化设计提供参考。

【关键词】舱门密封结构；密封带；气密可靠性；灵敏度

0.引言

飞机舱门的密封是防止舱内漏气或失压的重要保障，气密性能与密封结构的设计密切相关。飞机舱门组合密封结构主要由P型密封带、密封压条、Z型挡件、门体和门框组成。d1为门体与门框间隙；d2为挡件纵向距离；d3为Z型挡件横向尺寸；d4为关门行程；r为档件导角半径。但是，由于制造误差、安装同轴度以及使用过程中的磨损等因素，将导致密封结构的实际位置与设计值存在随机偏差，这种离散性威胁着舱门的气密可靠性。

密封带是一种能够发生大变形的高弹性橡胶材料，其压缩变形特性对舱门整体的气密刚度起主导作用，是选型的重要依据之一。已经有很多学者利用有限元分析方法分析了实心橡胶圈的压缩应力特性，研究对象涉及指尖密封、O型密封，球型密封等。在密封材料性能、仿真以及结构参数对密封性能的影响分析方面进行了十分有益的尝试。本工作选取目前飞机舱门中应用较为广泛的P型密封带组合密封结构，考虑了密封结构参数的随机性，基于密封带压缩实验结合有限元仿真，采用有限元软件抽样分析了密封结构气密可靠性和参数灵敏度。

1.确定性分析

1.1有限元模型

相比飞机舱门门体、门框和挡件材料（E=70GPa），密封圈材料的模量很小（E=0.0075GPa），密封带作为大柔度结构直接决定着门体的气密刚度，需要着重关注密封带的变形。因此，将门体、门框、密封压条和挡件近似为刚体，只考虑密封带的变形。建立舱门密封结构的有限元模型，单元类型选择四节点平面应变Herrmann单元，单元总数为650。

飞机舱门密封带一般设计有小孔，飞行过程中舱内压力能够通过这些眼孔渗透进入密封圈内，不但起到了加强密封的作用，还能够延长密封圈使用寿命。

圈内气压的作用效果可以采用有限元软件中特有的气囊空穴模型单元来模拟。正常飞行条件下，舱内保压恒压值设定为0.076MPa。摩擦模型为库仑模型，硬铝与橡胶的摩擦因数取0.25。

1.2密封带材料模型

利用MSC.Marc软件中的“Evaluate Material”功能分别采用上述两种模型对密封圈压缩实验数据进行拟合，发现与实验数据基本吻合，能够较好地适应非常数的剪切模量情形和材料的轻微压缩行为，已被成功地应用于密封圈产品分析。

2.可靠性分析

2.1随机变量与极限状态函数

由于制造误差、安装偏差或者使用过程中门轴等的磨损，均将导致实际装配尺寸与设计理想值发生随机偏差，使密封圈的压缩接触力不能够达到密封要求。

这里着重评估上述变量对舱门密封带密封性，根据概率论中心极限定理，一般可认为结构尺寸服从3σ（σ为标准差）的均值正态分布，且相互独立。

密封失效是可靠性评估中的一项重要失效模式。

密封带通过发生弹性变形填满相互接触的门体、门框表面之间的间隙，并维持一定的接触压力，从而达到气密效果。泄露率是定量评估舱门密封效果的重要指标，泄露经常是由于密封压缩力不足导致的，因此接触力常常作为密封结构气密性的评判指标，舱门设计要求能够承受3倍设计压差载荷的内外压差，折算到单位接触面积上的压缩力要求大于0.25N。

2.2可靠性分析方法及过程

采用有限元软件进行可靠性计算，主要基于以下3点：

（1）密封结构计算涉及接触问题，其压缩响应具有非线性隐式关系，对于隐式极限状态方程的可靠性分析，法计算思路简单且易于编程实现；（2）由上述确定性分析可知，密封圈与门框属于二次接触问题，结构参数不但决定了接触力的大小，还决定了能否发生接触，不发生接触时接触力恒为零，因此，密封圈与门框之间接触力与结构参数之间的响应关系是一个接触点位置随机变化并且与密封圈与挡件的第一次接触相关，会导致难以拟合合适的响应面和计算收敛性问题；（3）结果可信度要高于其他方法，常常作为校核其他方法的依据。本密封圈单次确定性仿真的时长较短，因计算成本仍然在可接受的范围。

结合自编程实现数据指定分布的随机化处理与抽样，同时调用Marc软件进行上述确定性计算，计算完成后提取密封带与门体的接触力进行失效统计并代入可靠度计算公式和灵敏度公式，获得舱门密封结构的失效概率和各个随机参数的灵敏度。

2.3可靠性分析结果

采用随机样本进行抽样5000次，分别计算得到两种密封圈的失效概率对比，Pr为抽样计算获得的可靠度。两者敏度分析结果大致一致，织物增强型密封带由于较好的压缩比具有更高的密封可靠度。

织物型密封带的密封组件主要结构变量的均值灵敏度和方差灵敏度分析结果，可见合理减小门框间距d1，挡件纵向距离d2和挡件导角半径r，增大Z型挡件横向尺寸d3和关门压缩量d4，均有助于提高气密可靠性。这些变量中，d1，d2，d4的均值和r的方差对失效较为敏感，设计和生产、维修检验过程中需要严格这些尺寸的检查。

另外，设计过程中还应注意上述随机变量对舱门其他性能的双面影响，例如：

（1）d1太小会使密封带被挤出或“碰框磨框”影响关门便利性和增大磨损；（2）减小d2或增大d4虽然能够增大接触应力，但是会直接加重开关门手柄力度，在保证气密性的前提下设计合适的关门压缩率是至关重要的；（3）增大d3会减小舱门有效面积，甚至可能会与开关门连杆机构发生干涉；（4）增大r会导致密封带的应力集中，削弱其使用寿命。所以设计过程中还应在保证密封的基础上，综合考虑上述因素和性能指标要求，从而制定出合理的设计范围。

3.结论

（1）设计过程中在保证密封可靠性的基础上，须综合考虑参数的两面性，结合性能指标要求制定合理的设计范围。

（2）织物型密封带具有更高的压缩比，比非织物型密封带具有更高的气密可靠度，建议优先选用。

（3）装配尺寸（门框间距、挡件纵向间距）和关门行程量的均值和挡件导角半径的方差对失效较为敏感，设计和装配、维修检验过程中需要严格这些尺寸的检查。