航空橡胶复合密封结构是大型客机重大复杂系统工程的关键功能结构件，直接关系大型客机的服役安全性与乘客舒适性。《大飞机橡胶密封结构设计》是专门论述航空橡胶复合密封结构设计的著作，分四篇，共21章。针对我国航空橡胶密封结构自主创新研制的国产化需求与“理论-方法-结构-装备-应用”的全生命周期研究主线展开，系统介绍了橡胶密封结构力学行为与设计、密封性能、制造技术、检测技术及评价等内容，整体涵盖了航空橡胶密封结构的力学模型及设计理论、泄漏模型及预测方法、制造技术与工艺力学、密封结构检测及评价等科学研究体系与工程应用场景，践行了基础科学-技术科学-工程科学三位一体的产学研深度交叉融合的创新理念。《大飞机橡胶密封结构设计》主要是清华大学姚学锋教授及其团队17年来关于航空橡胶密封结构设计与评价技术的系统总结，论述深入浅出，基础研究、关键技术与应用验证相互融合，同时提供了必要的预备知识与众多算例，以利读者理解与掌握《大飞机橡胶密封结构设计》内容。

目录
序
前言
引言
0.1 航空飞机橡胶密封结构 1
0.2 高性能织物橡胶密封材料 3
0.3 高性能织物橡胶密封结构设计 4
0.4 高性能织物橡胶密封材料的发展前景 7
参考文献 8
**篇 密封结构力学行为与设计
第1章 织物橡胶密封材料力学本构理论 11
1.1 概述 11
1.2 各向异性超-黏弹性本构模型 11
1.2.1 本构模型 11
1.2.2 织物橡胶密封材料本构参数的获取 18
1.2.3 织物橡胶材料本构理论的应用 22
1.3 非正交织物各向异性超-黏弹性本构模型 23
1.3.1 网状纤维织物增强橡胶复合材料的各向异性超弹性本构模型 24
1.3.2 复杂织物橡胶复合材料的表征 28
1.3.3 复杂织物橡胶密封结构的宏观力学行为 33
1.4 各向异性超-黏-伪弹性本构模型 40
1.4.1 各向异性超-黏-伪弹性本构行为 40
1.4.2 试验部分 49
1.4.3 结果和讨论 52
1.5 结论 61
参考文献 62
第2章 织物橡胶密封结构高低温力学性能研究 64
2.1 概述 64
2.2 织物橡胶密封结构形式 64
2.3 橡胶和聚酯纤维材料性能 65
2.3.1 橡胶材料超弹性本构参数 65
2.3.2 聚酯纤维力学性能与温度的关系 67
2.4 密封结构截面内侧网状纤维橡胶复合材料 68
2.4.1 应变能本构模型 68
2.4.2 单轴拉伸试验 71
2.5 表面织物橡胶复合材料 72
2.5.1 表面织物橡胶复合材料几何结构 72
2.5.2 表面织物橡胶复合材料有限元模拟 73
2.6 织物橡胶密封结构力学性能 76
2.7 结论 80
参考文献 80
第3章 织物橡胶密封结构摩擦行为研究 82
3.1 概述 82
3.2 橡胶密封结构黏滑特性研究 82
3.2.1 黏滑现象研究 82
3.2.2 橡胶密封结构黏滑特性和运动机制 83
3.3 橡胶密封结构动摩擦性能测试研究 88
3.3.1 测试装置与方法 88
3.3.2 纯橡胶密封结构摩擦性能测试 90
3.3.3 织物橡胶密封结构摩擦性能测试 94
3.3.4 织物橡胶密封结构动摩擦性能有限元分析 99
3.4 织物橡胶密封结构*面间摩擦性能研究 102
3.4.1 织物橡胶密封结构*面摩擦性能测试及有限元分析 102
3.4.2 织物橡胶密封结构*面上载荷分析 105
3.4.3 摩擦对织物橡胶密封结构载荷分析的影响 107
3.5 结论 109
参考文献 109
第4章 织物橡胶密封结构干涉、摩擦、温度效应 110
4.1 概述 110
4.2 前缘缝翼增升装置多刚体动力学仿真分析 110
4.2.1 基于ADAMS的前缘缝翼增升装置多刚体系统建模 110
4.2.2 运动学仿真分析 112
4.3 摩擦增量载荷仿真及分析 116
4.3.1 摩擦增量载荷理论分析模型 116
4.3.2 考虑缝翼密封结构影响的前缘缝翼增升装置动力学分析模型 119
4.3.3 缝翼密封结构增量载荷对驱动扭矩的影响规律 123
4.3.4 摩擦系数对扭矩的影响 132
4.3.5 环境温度对扭矩的影响 133
4.4 结论 135
参考文献 136
第5章 织物橡胶密封结构形状优化设计 138
5.1 概述 138
5.2 织物橡胶密封结构横截面几何分析 138
5.3 织物橡胶密封结构形状优化设计方法 139
5.3.1 形状优化设计参数 139
5.3.2 约束条件及优化目标 140
5.3.3 形状优化算法 141
5.3.4 形状优化流程 142
5.4 织物橡胶密封结构*优横截面形状 144
5.4.1 不同气体压差下的*优横截面形状 144
5.4.2 不同温度下的*优横截面形状 145
5.4.3 截面形状多目标优化设计 146
5.5 结论 147
参考文献 147
第6章 登机门密封结构力学设计 149
6.1 概述 149
6.2 大型客机客舱门复合密封结构运动分析 149
6.2.1 舱门复合密封结构开启机理 149
6.2.2 舱门复合密封结构构型 150
6.2.3 舱门复合密封结构力学分析 152
6.2.4 全尺寸舱门复合密封结构数值模型 154
6.3 全尺寸舱门复合密封结构模拟与分析 155
6.3.1 舱门压缩载荷三维分布 155
6.3.2 舱门复合密封结构的压缩性能 157
6.3.3 舱门整体与局部区域的应力分析 162
6.4 舱门复合密封结构整体压缩载荷的经验公式 165
6.5 结论 171
参考文献 171
第二篇 密封结构密封性能
第7章 织物橡胶密封结构微通道气体泄漏机制 175
7.1 概述 175
7.2 单向泄漏通道的分布形式对于泄漏率的影响 175
7.2.1 单向微泄漏通道问题的提出 175
7.2.2 单向微通道气体泄漏机理 176
7.2.3 气体泄漏通道均匀性的模拟验证 178
7.3 单向微泄漏通道的分裂与泄漏率的预测 180
7.3.1 微泄漏通道分裂的理论模型 180
7.3.2 微泄漏通道内气体自由流速的预测 185
7.3.3 密封结构泄漏通道的宏细观模型 188
7.4 交叉通道支路对气体泄漏率的影响 192
7.4.1 表面织物结构 192
7.4.2 支路通道对微泄漏通道模型气体流量的影响 195
7.4.3 单个支路通道的泄漏率分析 199
7.4.4 多个支路通道的泄漏率分析 201
7.5 结论 204
参考文献 205
第8章 织物橡胶密封结构气体泄漏率研究 206
8.1 概述 206
8.2 织物橡胶密封结构气体泄漏微通道 206
8.2.1 气体泄漏微通道 206
8.2.2 矩形微通道有限元分析 207
8.3 量纲分析 208
8.3.1 气体泄漏率量纲分析 209
8.3.2 无量纲函数的确定 209
8.4 织物橡胶密封结构气体泄漏率 214
8.4.1 试验研究 214
8.4.2 等效弹性模量 216
8.4.3 接触力学性能分析 218
8.4.4 密封性能预测 218
8.5 结论 220
参考文献 221

第9章 飞机货舱门密封性能研究 222
9.1 概述 222
9.2 织物橡胶密封材料气体泄漏机制 222
9.2.1 矩形微通道内的接触界面气体泄漏 222
9.2.2 矩形微通道气体泄漏数值模型 224
9.2.3 接触界面气体泄漏规律及影响因素 228
9.3 织物橡胶密封材料密封性能测试 231
9.3.1 织物橡胶密封结构 231
9.3.2 密封性能测试方法与装置 231
9.3.3 试验结果与分析 234
9.4 织物橡胶密封结构密封性能预测与分析 236
9.4.1 织物橡胶密封结构气体泄漏预测方法 236
9.4.2 织物橡胶密封结构气体泄漏预测及分析 239
9.5 大型客机货舱门密封性能分析与预测 241
9.5.1 舱门密封结构密封特性及影响因素分析 241
9.5.2 舱门密封结构双接触面气体泄漏分析 245
9.5.3 不同门框直径下舱门密封结构气体泄漏分析 246
9.5.4 大型客机货舱门密封性能预测 248
9.6 结论 252
参考文献 253
第10章 织物橡胶密封结构密封性能影响因素研究 254
10.1 概述 254
10.2 橡胶材料应力松弛效应 254
10.2.1 橡胶材料黏弹性模型 254
10.2.2 玻尔兹曼叠加原理 255
10.2.3 橡胶材料应力松弛试验 256
10.2.4 接触力学性能有限元分析 257
10.2.5 气体泄漏率随时间变化关系 258
10.3 压缩位移 259
10.4 温度效应 260
10.4.1 高低温密封性能试验测试 260
10.4.2 高低温条件下气体泄漏率预测 262
10.5 结论 266
参考文献 266

第11章 飞行过程整机舱门密封性能评价 268
11.1 概述 268
11.2 力学性能及密封性能影响因素 268
11.2.1 大气环境参数 268
11.2.2 飞机舱门织物橡胶密封结构 271
11.2.3 织物橡胶密封结构有限元模型 276
11.2.4 多接触密封面气体泄漏率预测方法 279
11.3 力学性能及密封性能预测 282
11.3.1 登机门织物橡胶密封结构 282
11.3.2 货舱门织物橡胶密封结构 284
11.3.3 应急离机门织物橡胶密封结构 285
11.3.4 应急门织物橡胶密封结构 287
11.3.5 E-E门织物橡胶密封结构 288
11.3.6 增压预防门织物橡胶密封结构 289
11.3.7 飞机飞行全过程气体泄漏率 290
11.4 结论 291
参考文献 292
第12章 密封结构泄漏的红外检测技术及其应用 293
12.1 损伤诱导泄漏孔的泄漏率测试技术 293
12.1.1 红外图像技术测量孔泄漏率的基本原理 293
12.1.2 任意形状泄漏孔气体泄漏模拟仿真 297
12.1.3 密封结构损伤孔气体泄漏试验研究 299
12.2 接触界面的泄漏率测试技术 303
12.2.1 接触界面气体泄漏测试基本原理—一般泄漏区域 304
12.2.2 接触界面气体泄漏测试基本原理—集中泄漏区域 307
12.2.3 接触界面气体泄漏模拟仿真 308
12.2.4 接触界面气体泄漏试验研究 311
12.2.5 界面泄漏均匀性计算 314
12.3 超分辨率红外图像技术在泄漏测试中的应用 315
12.3.1 单孔、多孔气体泄漏试验 315
12.3.2 超分辨率红外图像技术 318
12.3.3 超分辨率红外图像技术对气体泄漏测试的影响 321
12.4 结论 327
参考文献 328

第13章 密封结构泄漏的气动检测技术及其应用 330
13.1 基于单个声压传感器的单孔泄漏率测试技术 330
13.1.1 单孔气体泄漏的气动声学理论模型 330
13.1.2 单孔泄漏气体的声压场数值模拟 332
13.1.3 单孔气体泄漏的试验验证 335
13.1.4 结果讨论与比较分析 337
13.2 基于一维声压传感器阵列的单孔泄漏率测试技术 339
13.2.1 基于波束成形方法的一维泄漏测试理论 339
13.2.2 基于一维声压传感器阵列的单孔泄漏试验验证 340
13.2.3 气体泄漏率测试灵敏度验证 343
13.3 基于一维声压传感器阵列的界面泄漏率测试技术 345
13.3.1

引言
　　0.1航空飞机橡胶密封结构
　　飞机密封结构安装在飞机舱门和机体结构、活动面和固定结构界面、油箱、增压舱或货舱开口结构、吊挂、短舱或辅助动力装置等区域。由于飞机不同区域具有不同的环境条件，对应的密封完整性要求也存在差异，因此，从设计角度考虑，飞机机体密封主要分为气密密封、气动密封、油液密封、防火密封等四种类型。气密密封结构主要防止增压舱（如驾驶舱、客舱、货舱等）内的压力空气泄漏，是乘客舒适性的重要保障；气动密封结构一般分布在飞机舵面、增升装置和无气密要求的舱门处，用于保障飞行中外形轮廓的光顺性，降低外形阻力，提升燃油经济性，同时在起飞、降落过程中增加外侧机翼的拱度，提升外侧机翼升力效率；油液密封和防火密封结构主要是为了确保危险的液体、气体或火焰不能通过隔离舱到达飞机的其他零件或结构，防止燃油、液压油、火焰等的泄漏。
　　橡胶是飞机密封结构的关键材料。橡胶硫化后分子链形成网状结构，分子链之间的相互运动受限，橡胶表现出弹性的同时也表现出黏性阻尼的特点，具有密封效果以及减震、缓冲等作用。飞机密封结构就像人体的关节软骨，其中织物增强橡胶密封结构是典型代表。织物增强橡胶密封结构是指采用内含和外覆纤维织物与橡胶复合而成的特种橡胶密封结构，通过压缩一定的变形，可以保证适当接触应力下的密封性能，防止固液介质（如杂物、雨水等）的进入，是保持飞机机舱密封及各部连接的重要基础部件，如图0.1所示。航空橡胶密封结构的使用条件非常严苛，需要满足耐高低温、耐紫外、耐湿热、耐酸碱、耐摩擦等十分复杂的技术要求。目前，国外航空橡胶密封结构主要由法国JPR公司、美国KTA公司与瑞典斯凯孚（SKF）公司生产提供，国内主要由西北橡胶塑料研究设计院有限公司和中国航发北京航空材料研究院研制，清华大学在航空织物橡胶密封结构的设计、测试及基础成型工艺方面开展了相关研究。
　　织物橡胶密封结构的可靠性直接关系到飞机的安全性和舒适性。在飞机飞行过程中，由气流、发动机或机载系统等带来的激励载荷常常会引发活动面、舱门、发动机吊挂、外置机载系统等部位的密封和结构的耦合振动，进而产生振动响应，引起结构破坏、啸叫、异响、过度振动、气动损失等问题，给飞机结构安全性、飞行员操控、乘客舒适性带来巨大影响，使飞机产生结构破坏、疲劳断裂、维护成本增加、机动飞行受限、稳定性下降、操作性变差等问题，飞机上的机载系统设备也会受到影响而不能正常工作。更为严重的是，密封结构的有害振动有时甚至会危及飞行安全，引发坠机等灾难性事故。
　　国内外相关主流机型均发生过因舱门、操纵面及其后缘结构气动密封失效而导致的飞机安全事故及结构损伤事件。1986年美国“挑战者”号航天飞机升空后，因其右侧固体火箭助推器的O型环密封圈失效，使高速飞行中的航天飞机在空气阻力的作用下于发射后的第73秒解体，机上7名宇航员全部罹难，“挑战者”号的残骸散落在大海中。1999年7月，空客A320飞机发生机翼后缘舱575AT盖板和其周围固定结构严重损伤事故，事后分析这一事故是密封界面的耦合振动造成的。2007年，从*都机场飞往深圳的CA1337航班起飞后约一小时，发现飞机出现“漏气”现象。2011年3月9日，南京军区空军某部一架战机在万米高空，座舱突然失去密封。2014年，新加坡航空公司一架空客A380飞机因一扇主门漏气的问题引起舱压不足而紧急迫降。我国民用支线客机2018年10月在航线飞行中发生副翼舱密封失效、结构损坏的事件，造成了左副翼舱上部密封结构脱落，副翼舱上壁板出现裂纹，副翼内侧一放电刷丢失，左侧副翼舱连接上下壁板的支柱均存在不同程度的损伤，上壁板密封结构压条出现裂纹等情况。2020年8月9日，空客A330-343型飞机执行深圳至西安航班，在广州区域上升至9200m时，出现座舱高度、座舱压力警戒信息，经调查，此起事件是飞机后货舱门封严条故障造成的。2022年5月21日，一架载有237人的空客A330-300执行从都柏林飞往纽约的EI-105航班，因客舱尾门密封失效，决定起飞后返航降落在都柏林。2023年5月26日，A321客机在菲律宾海上空右侧空调组件活门导管封严条破损，导致热空气泄漏，客舱释压，并且引起飞机左侧和右侧空调组件活门关闭。2023年6月25日，香港飞往洛杉矶的CX880航班客机水箱渗水漏水，延迟起飞。2023年10月4日，A321-200N从伦敦飞往佛罗里达州奥兰多时增压舱窗户脱落，起飞后被迫中止爬升，返回斯坦斯特德机场。2024年1月5日，阿拉斯加航空公司一架波音737MAX9型客机起飞后不久发生事故，机舱侧面一处门塞（内嵌式应急门）脱落。我国*新研制的大型民用客机在研制过程中，也同样多次出现了副翼舱、平/垂尾后缘舱、襟翼舱密封的有害振动问题，对型号研制造成了一定影响。
　　由此可见，高效、安全、可靠的飞机密封结构对于各种类型飞机的正常使用和研制都具有十分重要的意义，对其材料组成、结构设计、制备工艺和使用性能进行系统和深入地研究，有助于加深对航空密封结构使用条件和服役性能的认识，为我国民用飞机密封结构的设计研制提供借鉴和科学依据。
　　0.2高性能织物橡胶密封材料
　　航空橡胶密封结构属于高性能橡胶复合材料的应用范畴，是采用具有特殊性能和特殊用途、能适应苛刻使用条件的特种橡胶和织物材料制备而成的一种密封结构件。按橡胶的种类，高性能橡胶密封材料可分为天然橡胶和合成橡胶两大类，其中，合成橡胶主要包括硅橡胶、氟醚橡胶、氟橡胶、丁腈橡胶和氯丁橡胶等。根据特瑞堡集团材料化学相容性指南上的已知信息，各种典型橡胶耐受温度范围如图0.2所示。
　　根据硅橡胶组成材料的不同，硅橡胶的耐温范围在60～200℃，具有优异的耐候性。此外，硅橡胶在高低温、臭氧、紫外、化学品腐蚀等环境老化后仍然能够保持优良的物理机械性能，被认为是航空密封材料的*选。
　　与此同时，由于纯橡胶与金属等材料之间摩擦系数大，磨损严重，且极易出现黏滑运动现象，为克服硅橡胶在实际应用过程中存在强度略低、耐磨性差等不足，应用在飞机上的异型管状密封结构更多地采用了表面复合聚酯纤维织物，以减小摩擦系数，减少磨损，提升摩擦稳定状态，如图0.3所示。
　　高性能橡胶密封结构工作环境严酷，温度范围可达60～200℃，压力范围可达？1～11.97psi（即？10～100kPa），还常常受到日照、紫外辐射和油污、酸碱腐蚀等外部环境的影响。因此，高性能橡胶密封结构需要满足多方面的功能及性能要求，主要有：耐高低温、抗高压力差、抗老化、耐腐蚀、耐磨损、阻燃、高可靠性和耐久性等。一般而言，在55～85℃时，密封结构应能正常工作。因此，高性能橡胶密封结构往往需要依赖于复杂的力学与密封性能设计方法及试验表征技术。
　　0.3高性能织物橡胶密封结构设计
　　由于飞机上很多连接部位间隙很大，采用普通的实心密封胶条会产生很大的载荷作用，不利于机构运动与使用，因此，飞机相关密封结构中通常采用各种异形空心管状密封结构，能够在较小的载荷下产生较大的变形，从而填补飞机结构中各种缝隙，其截面形状包括P形、Ω形、心形等，起到密封、隔振等目的，如图0.4所示。
　　此外，航空密封结构表面通常还覆有一层织物，以减小与接触面的摩擦系数，降低磨损，延长使用寿命。然而，由于密封结构表面存在织物，其相对于橡胶材料模量较大，不易发生变形，且织物表面存在一定的结构与缝隙，使得密封结构与其他结构接触时产生较大的泄漏率。如何综合评估织物橡胶密封结构力学性能、摩擦性能、密封性能以及黏弹性各向异性本构关系，并针对使用需求进行适当改进，是设计与使用织物橡胶密封结构的关键，具体而言：
　　（1）橡胶密封结构长期与门框接触，在飞机起飞及降落过程中，长期承受压缩回弹、摩擦磨损等作用。同时，由于航空橡胶密封结构具有尺寸大、结构复杂、工作环境恶劣等特点，在使用过程中需要与各种结构和部件接触、挤压，产生密封效果并传递载荷，其摩擦性能将对使用产生重要影响。因此，测试分析密封结构摩擦性能，揭示织物橡胶结构件摩擦机理，是密封结构摩擦性能设计的基础科学问题。
　　（2）航空橡胶密封结构在飞机起飞后的巡航过程中与各类门框或平面、*面结构配合，形成接触密封结构，维持机舱内部气压。由于织物的存在，气体将通过织物与金属间的缝隙由气压较高的机舱内部向气压较低的机舱外部泄漏。橡胶密封结构的密封性能不仅受压差、温度等外在条件影响，而且与密封结构的几何形状、性能、结构具有直接的相关性。因此，建立密封结构的密封性能预测模型以及优化的结构形式也是密封结构的重要设计内容。另外，织物细观结构直接决定了密封结构的泄漏通道及泄漏信息。建立织物橡胶接触界面气体泄漏模型，分析飞机在整个飞行过程中密封结构的气体泄漏率、接触应力，并预测舱门整体泄漏率，是航空橡胶密封结构密封性能设计的关键科学问题。
　　（3）由于航空橡胶密封结构具有异型管状结构特征，在工作状态下通常发生大变形及压缩回弹。因此，设计可靠的测试方法及性能评价体系，测量和评估整圈及长条形管状橡胶密封结构的接触应力、变形情况及密封性能，是大型客机橡胶密封结构密封性能评价的试验基础。
　　（4）航空橡胶密封结构是由橡胶与织物复合而成，通常采用内外两层织物与橡胶加工制成异型管状密封结构，并通过黏接不同长度的直段和弯段组成，其制备工艺复杂，而这种工艺直接决定了橡胶密封结构的各项性能是否合格。飞机橡胶密封结构主要由织物纤维与橡胶通过模压工艺制备而成，织物橡胶密封结构的性能不仅与橡胶、织物纤维的性能有关，而且与其压力、温度、模具等工艺条件密切相关，因此，橡胶密封结构的制造力学工艺是其设计的基础理论。研究织物橡胶密封结构复合成型原理及工艺力学机制，发展橡胶密封型材的制备方法，是解决我国大型客机密封结构发展瓶颈、实现国产化的关键技术路径。
　　（5）由于航空密封结构的长寿命、高性能、多功能等特性，需要在硅橡胶等高性能橡胶里添加抗老化剂、阻燃剂等助剂，实现航空密封结构的应用需求。但硅橡胶本身黏度较大，新填料的加入往往会损害其本身的力学性能；且密封结构制备工艺复杂，橡胶与织物高质量复合难度较高，因此国产硅橡胶密封结构产品在实际应用层面仍然面临许多挑战。为了制备出性能可靠的密封结构产品，*先需要确定阻燃、耐磨和轻质硅橡胶配方，并对其力学性能等综合指标进行评估，同时结合硅橡胶密封结构的具体生产工艺，解决整个制备流程、模具设计、黏接处理等问题，从而开发出符合适航要求的密封结构产品。
　　综上所述，鉴于航空橡胶密封结构的重要作用，其性能关乎民航客机飞行安全与乘客生命健康，系统地研究与评价高性能织物橡胶密封结构力学、密封、摩擦性能和工艺改性方案是实现大型客机零部件国产化的重要基础性工作之一。其设计需重点考虑以下问题：耐高低温、抗磨损、抗老化、抗泄漏、防火阻燃织物橡胶密封材料工艺调控机理；橡胶密封材料热力耦合黏弹性本构模型及接触界面泄漏机制；橡胶密封结构环境效应、力学表征方法及可靠性评价理论；密封泄漏位置及泄漏量的检测技术与评价方法。同时，橡胶密封型材的工艺方法直接决定了其各项性能参数，是航空橡胶密封结构设计的基础。因此，需要进一步发展先进的橡胶材料配方，优化模压工艺；建立橡胶密封型材硫化模拟模型，以精准预测型材成型过程，为密封结构设计提供指导。