陳峰

【摘 要】民用飛機(jī)電子設(shè)備安裝在托架上，為保證設(shè)備在各種載荷狀況下的正常工作，托架需要具備一定的承載能力。本文對(duì)某型號(hào)民用飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備托架進(jìn)行了強(qiáng)度分析，介紹了有限元建模過(guò)程和分析方法，為其他設(shè)備托架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析提供了參考。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；設(shè)備托架；有限元；強(qiáng)度分析

0 引言

設(shè)備托架是由相互依存的零件和緊固件組成的支承結(jié)構(gòu)組件，用于設(shè)備的安裝固定。民用飛機(jī)實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，其外形尺寸，前端鎖勾，后端連接器，重量，熱載荷等級(jí)等符合ARINC600[1]標(biāo)準(zhǔn)，可迅速拆卸和更換。為實(shí)現(xiàn)ARINC600電子設(shè)備的固定安裝、快速插拔和集中維護(hù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)在設(shè)備架上規(guī)定位置的互換性，設(shè)計(jì)了一系列標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備托架。如圖1所示，ARINC600自然冷托架主要由導(dǎo)向件、安裝板、墊板和加強(qiáng)片組成。本文以3MCU自然風(fēng)冷標(biāo)準(zhǔn)托架為例，采用有限元分析方法[2]對(duì)標(biāo)準(zhǔn)托架進(jìn)行強(qiáng)度分析，評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性。

1 有限元分析

標(biāo)準(zhǔn)托架中零件的材料主要選用7075-T62鋁合金和15-5PH-H925不銹鋼，各零件之間采用鉚釘連接。標(biāo)準(zhǔn)托架底部與結(jié)構(gòu)橫梁分別通過(guò)4個(gè)螺栓連接，鎖緊器鉸鏈座與托架底部分別通過(guò)2個(gè)螺栓連接，橫梁兩端約束三個(gè)自由度的平動(dòng)。

1.1 工況

標(biāo)準(zhǔn)支架上安裝電子設(shè)備，如圖3所示。根據(jù)CCAR-25（運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)）中有關(guān)設(shè)備架適用的條款規(guī)定，托架需在使用限制載荷和極限載荷（限制載荷乘以規(guī)定的安全系數(shù)）下滿足強(qiáng)度要求。此外為保證設(shè)備在應(yīng)急著陸情況下仍能正常工作，托架還需要滿足CCAR-25中561條的要求。根據(jù)飛機(jī)各占位坐標(biāo)限制過(guò)載系數(shù)的規(guī)定以及機(jī)載設(shè)備沖擊和墜撞安全環(huán)境條件及試驗(yàn)程序，并考慮到標(biāo)準(zhǔn)托架在飛機(jī)設(shè)備架上的安裝位置、安裝方向不固定，故各方向過(guò)載取最大值，最終確定標(biāo)準(zhǔn)托架的計(jì)算工況為：向前9g（應(yīng)急著陸）、向后9g（應(yīng)急著陸）、側(cè)向9g（墜撞）、向上9g（墜撞）、向下11.2g（極限過(guò)載包線），方向如圖3所示。

1.2 載荷

托架的載荷主要來(lái)自其安裝的機(jī)箱設(shè)備，工況向前時(shí)，載荷全部由鎖緊器的緊定鉤承受，工況向上時(shí)，載荷全部由后部連接和緊定鉤承受，側(cè)向工況時(shí)，設(shè)備所產(chǎn)生的力由后部連接和緊定鉤承受，向后工況時(shí)，設(shè)備所產(chǎn)生的力全部由安裝板承受，向下工況時(shí)，設(shè)備所產(chǎn)生的力由導(dǎo)軌板承受。

根據(jù)ARINC600規(guī)定，3MCU標(biāo)準(zhǔn)托架允許的最大機(jī)箱設(shè)備重量為7.5kg。本文重心選取位置為設(shè)備形心處，所以在機(jī)箱重心位置施加向前、向上、側(cè)向、向后極限載荷F=661.5N；向下工況時(shí)，按照公式P=，計(jì)算導(dǎo)向件底板壓力載荷為0.035MPa，S為機(jī)箱與托架底部接觸的有效面積。

1.3 有限元建模

采用有限元分析方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)托架進(jìn)行有限元建模，其中導(dǎo)向件、墊板、安裝板、鉸鏈座采用殼單元，厚度為零件實(shí)際厚度；螺栓連接處用REB2、CBAR剛性單元；鉚釘用CWELD單元進(jìn)行模擬，直徑和材料按實(shí)際鉚釘材料定義；機(jī)箱用一組剛性梁CBAR 模擬；機(jī)箱與托架后部連接器連接處采用彈簧單元CELAS2模擬。

在向前工況下，在托架前部邊緣建立一組垂直彈簧模擬機(jī)箱對(duì)托架的垂向壓力，鎖緊器中的螺桿、環(huán)扣、旋鈕組件用CBAR單元進(jìn)行模擬，如圖4所示。

2 應(yīng)力結(jié)果及強(qiáng)度分析

采用Hypermesh軟件進(jìn)行有限元計(jì)算，得到5個(gè)工況下的零件應(yīng)力。本文通過(guò)對(duì)比零件應(yīng)力和材料許用值，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的裕度，評(píng)估托架的承載能力和安全性。零件安全裕度計(jì)算公式[3]如下：

式中：σtu為零件的材料許用值；σmax為零件最大Mises應(yīng)力。

根據(jù)5個(gè)載荷工況下托架的應(yīng)力云圖可知，向前、向后、向上、向下4個(gè)工況的最大應(yīng)力位于導(dǎo)向件底板前部邊緣上，其中向前工況下零件應(yīng)力最大，如圖7所示，應(yīng)力值為265Mpa，導(dǎo)向件材料為7075-T62，材料許用值為537MPa，安全裕度為：

3 結(jié)論

本文對(duì)民用飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備托架進(jìn)行了有限元建模分析，得到靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，分析結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備托架滿足強(qiáng)度要求。

民用飛機(jī)中ARINC600電子設(shè)備需要快速插拔和集中維護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)托架的設(shè)計(jì)不但可以很好的滿足這些要求，還實(shí)現(xiàn)了在設(shè)備架上規(guī)定位置的互換性。但同時(shí)其載荷環(huán)境也相對(duì)比較復(fù)雜。本文通過(guò)對(duì)民用飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備托架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，證明了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備托架安全性，可以為其他類型的飛機(jī)電子設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析提供參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]AIR TRANSPORT AVIONICS EQUIPMENT INTERFACES：ARINC 600-19-2011[S].

[2]王勖成，邵敏編著.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].清華大學(xué)出版社， 1997.

[3]飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)·9·載荷、強(qiáng)度和剛度[M].航空工業(yè)出版社，2001.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]