以某型号飞机应急舱门的设计为研究对象，采用有限元分析法，探讨基于SOLIDWORKS Simulation的有限元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。

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。因此，基于有限元法的飞机应急舱门优化设计应运而生。

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。

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。


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有限元分析

有限元分析(finite element analysis, FEA)是将连续体离散化，通过对有限单元插值求解各种力学、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。

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。

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；选择外部载荷为压力，压力受力面为内蒙皮内表面。

零部件接触类型设定为结合，全局接触，兼容网格。力学模型如图3所示。

2.3 划分网格

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

表1 材料参数


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材料应急舱门的合应力、合应变和合位移变化量如图5.a、图5.c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。

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, Y, Z三个方向的分应力基本相同，Y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，Y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。

表2 有限元计算结果


4. 结束语

SOLIDWORKS Simulation和SOLIDWORKS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。SOLIDWORKS Simulation优先的前处理功能大大提高了工程师的工作效率，SOLIDWORKS Simulation的输出报表功能高效的为工程师提供分析报告模板。

文章具体分析了两种材料的舱门强度及质量，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。

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