司超超+凡玉

摘 要：作動器固定支座是飛機結(jié)構(gòu)的重要連接元件之一，是承受和傳遞集中載荷且易發(fā)生疲勞破壞元件，也是飛機結(jié)構(gòu)強度計算和細節(jié)分析的關(guān)鍵部位。文章通過對作動器固定支座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和強度計算，結(jié)果表明：點點式作動器安裝結(jié)構(gòu)宜采用雙面連接固定支座結(jié)構(gòu)形式，且固定支座結(jié)構(gòu)滿足強度設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：作動器；固定支座；飛機結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計

1 概述

飛行控制系統(tǒng)是飛機重要的系統(tǒng)之一，飛行員通過飛行控制系統(tǒng)控制飛行各個操縱面的位置，從而控制飛機的姿態(tài)[1]。操縱面固定支座主要是用來承受作動器的集中載荷，并將其傳遞給翼盒，因此，作動器固定支座的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)壽命直接影響作動器的操縱性能，乃至飛機的總體操縱性能。

本文通過對國外先進民用飛機作動器固定支座結(jié)構(gòu)進行分析研究，結(jié)合某飛機氣動外形和總體布置要求，確定副翼作動器固定支座結(jié)構(gòu)形式，再運用MSC.Patran/Nastran軟件對固定支座結(jié)構(gòu)進行強度校核和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以期得到最佳固定支座結(jié)構(gòu)方案，最后結(jié)合《飛機設(shè)計手冊第9冊》中耳片校核方法。

2 先進民機作動器固定支座結(jié)構(gòu)形式

2.1 A320飛機

A320飛機副翼作動器采用點點式安裝結(jié)構(gòu)，與機翼后梁連接的固定支座采用“三面連接”結(jié)構(gòu)形式?！叭孢B接”結(jié)構(gòu)形式是指固定支座與機翼盒段上壁板、機翼盒段下壁板和機翼后梁均連接固定，該結(jié)構(gòu)形式簡單、可靠性大、固定支座結(jié)構(gòu)剛度大、盒段受力特性好。

2.2 B787飛機

B787飛機副翼作動器采用點點式安裝結(jié)構(gòu)，與機翼后梁連接的固定支座采用“雙面連接”結(jié)構(gòu)形式。“雙面連接”結(jié)構(gòu)形式是指固定支座與機翼盒段下壁板和機翼后梁兩面連接固定。較之“三面連接”結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式簡單、重量輕、傳力直接、對后緣艙結(jié)構(gòu)布局和系統(tǒng)管路電纜布局有利等優(yōu)點。

3 固定支座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和耳片校核

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

升降舵作動器安裝結(jié)構(gòu)形式是點點式，從結(jié)構(gòu)強安全性和可靠性考慮，作動器固定支座初始設(shè)計時擬定“三面連接”結(jié)構(gòu)形式（如圖1所示），材料選用15-5PH不銹鋼。操縱點各向極限載荷分別為：Fx=19400N，F(xiàn)y=0N，F(xiàn)z=20140N。然后運用MSC.Patran和MSC.Nastran軟件對固定支座結(jié)構(gòu)進行強度校核，計算結(jié)果見圖1。

由圖1可以看出固定支座最大應(yīng)力在與后梁連接上面三個螺栓處，且應(yīng)力最大值為38.2MPa，而固定支座所選用的材料15-5PH的拉伸極限強度σb為1062MPa，安全裕度MS值為26.8。固定支座最小應(yīng)力在后梁下緣條連接區(qū)和下壁板連接區(qū)，且最小應(yīng)力值約為0.03MPa。

顯而易見，固定支座采用“三面連接”結(jié)構(gòu)對于結(jié)構(gòu)重量是不利的，固定支座高應(yīng)力區(qū)位于與上壁板和后梁上緣條連接區(qū)，固定支座與后梁下緣條和下壁板連接區(qū)應(yīng)力水平較低，可以忽略不計。再者，固定支座所選用的材料15-5PH也是不合理的，應(yīng)更換7050-T7451鋁合金材料。其次，結(jié)構(gòu)參數(shù)也應(yīng)該進行適當(dāng)優(yōu)化，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)參以實現(xiàn)在滿足結(jié)構(gòu)完整性和功能完整性前提下輕重量目標(biāo)。因此，在綜合考慮結(jié)構(gòu)強度和輕重量前提下，將固定支座下半部分直接優(yōu)化除去，僅采用與盒段上壁板和后梁上緣條區(qū)域連接，即固定支座選用“雙面連接”結(jié)構(gòu)形式（如圖2所示），將材料由15-5PH更換為7050-T7451，同時對固定支座結(jié)構(gòu)參數(shù)進行調(diào)參，然后運用MSC.Patran/MSC.Nastran軟件對優(yōu)化后的固定支座進行強度校核（如圖2所示）。結(jié)果表明：固定支座最大應(yīng)力為193MPa，安全裕度MS值為1.64，“雙面連接”固定支座完全滿足強度要求，結(jié)構(gòu)實現(xiàn)減重71%，且為后緣艙內(nèi)液壓管路和電纜等布局提供便利條件。

3.2 耳片校核

耳片結(jié)構(gòu)形式雖很簡單，但耳孔周圍的應(yīng)力狀態(tài)卻很復(fù)雜。該連接形式是通過銷栓給耳片傳遞載荷，隨著載荷的增加，耳孔和銷栓的接觸由線接觸變化到半個銷栓面接觸，也就是說，螺栓和耳孔內(nèi)表面的傳力過程是個接觸應(yīng)力問題，耳片受載時，其頭部處于拉伸、彎曲和剪切復(fù)合受力狀態(tài)之下。由于加載時銷栓本身會產(chǎn)生彎曲變形，使得耳孔內(nèi)壁的應(yīng)力分布沿耳片厚度方向發(fā)生變化。而且銷栓彎曲強度的強弱對耳片的受載影響很大[2]。所以耳片強度的精確計算比較復(fù)雜，一般采用工程簡化方法。按照《飛機設(shè)計手冊》第九冊32.4節(jié)方法對固定支座耳片進行強度分析，并且在耳片強度分析時考慮了1.15的接頭系數(shù)，耳片參數(shù)含義見圖3所示。

斜耳片的安全裕度MS為

式中：Pf？琢為斜耳片在受載荷角度？琢?xí)r的極限載荷；

Pult為耳片承受的外加斜向載荷拉伸設(shè)計極限載荷。

式中：Pf0為耳片在受載荷角度0°時的極限載荷；

Kcon1和Kcon2為折算系數(shù)，與耳片材料、b/d、？琢等有關(guān)，可以從《飛機設(shè)計手冊》第九冊直接查得。

式中：K0為耳片的軸向拉伸載荷時的效率系數(shù)；

F為沿孔中心的凈面積，單耳F=（b-d）t，雙耳F=2（b-d）t。

固定支座耳片的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。借助《飛機設(shè)計手冊》第九冊32.4節(jié)參數(shù)圖查得所需折算系數(shù)，利用上述耳片安全裕度計算方法和公式可以求得固定支座耳片的安全裕度為2.04，滿足強度設(shè)計要求。

表1 固定支座的結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位：mm）

4 結(jié)束語

（1）對于“點點式”作動器安裝結(jié)構(gòu)，固定支座宜采用“雙面連接”結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式具有結(jié)構(gòu)簡單、輕重量、宜裝配等特點。

（2）通過MSC.Patran/Nastran軟件分析和理論計算，固定支座結(jié)構(gòu)安全裕度大于0.15，滿足強度設(shè)計要求，而且實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重71%。

參考文獻

[1]陶梅貞.現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計 [M]. 西安： 西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[2]中國航空研究院.飛機設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.