郁思佳

【摘 要】本文選取某型飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置為研究對(duì)象，以有限元理論為基礎(chǔ)，建立了其進(jìn)氣系統(tǒng)風(fēng)門框的有限元模型，針對(duì)不同工況下的約束和載荷，分別考慮后機(jī)身嚴(yán)重工況和機(jī)體支持剛度下進(jìn)氣風(fēng)門框受進(jìn)氣系統(tǒng)載荷的影響，對(duì)模型進(jìn)行了靜強(qiáng)度計(jì)算與分析，并得出結(jié)論。結(jié)果表明：進(jìn)氣系統(tǒng)風(fēng)門框符合強(qiáng)度要求，從而為飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置進(jìn)氣系統(tǒng)強(qiáng)度分析提供了參考。

【關(guān)鍵詞】輔助動(dòng)力裝置；進(jìn)氣系統(tǒng)風(fēng)門框；靜強(qiáng)度；有限元分析

0 引言

某型飛機(jī)的輔助動(dòng)力裝置進(jìn)氣系統(tǒng)風(fēng)門框與后機(jī)身框連接，風(fēng)門框作為機(jī)身框的一部分也會(huì)參與全機(jī)傳載，此外，機(jī)體的彈性支持也會(huì)影響到進(jìn)氣系統(tǒng)風(fēng)門框的傳載情況。因此在分析輔助動(dòng)力裝置進(jìn)氣系統(tǒng)強(qiáng)度時(shí)，直接將進(jìn)氣風(fēng)門框進(jìn)行固支約束，來(lái)進(jìn)行進(jìn)氣風(fēng)門框的強(qiáng)度評(píng)估是不準(zhǔn)確的。國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)輔助動(dòng)力裝置進(jìn)氣系統(tǒng)強(qiáng)度分析的研究較少。本文采用有限元法，對(duì)進(jìn)氣風(fēng)門框的靜強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算分析兼顧后機(jī)身嚴(yán)重工況以及機(jī)體支持剛度對(duì)進(jìn)氣風(fēng)門框強(qiáng)度的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)和緊固件進(jìn)行校核。結(jié)果表明：進(jìn)氣系統(tǒng)風(fēng)門框符合強(qiáng)度要求。

1 有限元法

在對(duì)飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置進(jìn)氣系統(tǒng)風(fēng)門框進(jìn)行靜強(qiáng)度分析時(shí)，首先根據(jù)有限元理論對(duì)其進(jìn)行建模，然后進(jìn)行有限元計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)及緊固件的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析與校核。

1.1 有限元理論

有限元分析是將結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，把連續(xù)結(jié)構(gòu)離散成由若干有限大小的單元通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接成等效的組合體，然后對(duì)單元進(jìn)行力學(xué)分析，建立單元的剛度矩陣，組集形成結(jié)構(gòu)總剛度矩陣，求出結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移和單元的內(nèi)力。

1.2 結(jié)果校核方法

根據(jù)有限元方法，可求得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和緊固件的受力，然后對(duì)其進(jìn)行校核。

結(jié)構(gòu)安全裕度計(jì)算公式為：

緊固件校核主要考慮承剪破壞、承拉破壞，計(jì)算過(guò)程如下所述。

1）緊固件承剪安全裕度計(jì)算公式為：

2）緊固件承拉安全裕度計(jì)算公式為：

2 有限元模型建立

進(jìn)氣風(fēng)門框位于后機(jī)身，與兩個(gè)機(jī)身框相連。為了充分考慮機(jī)身的彈性支持對(duì)分析結(jié)果的影響，本文采用HyperMesh有限元前處理軟件，在后機(jī)身有限元模型中，建入APU風(fēng)門框的模型，風(fēng)門框采用SHELL單元模擬，風(fēng)門框與機(jī)身框間的緊固件通過(guò)WELD單元模擬。

2.1 進(jìn)氣風(fēng)門建模

為了考慮進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣風(fēng)門所受氣動(dòng)力的影響，在進(jìn)氣風(fēng)門框有限元模型中，進(jìn)行進(jìn)氣風(fēng)門的簡(jiǎn)化建模。將風(fēng)門氣動(dòng)壓心位置與風(fēng)門和門框相連的位置通過(guò)RBE2單元連接；作動(dòng)器用ROD單元模擬，一端連壓心位置，另一端通過(guò)RBE2單元與風(fēng)門框相連；風(fēng)門所受氣動(dòng)載荷加到壓心位置。

2.2 進(jìn)氣系統(tǒng)建模

為了考慮進(jìn)氣系統(tǒng)自身重量在飛機(jī)慣性載荷工況下對(duì)進(jìn)氣風(fēng)門框強(qiáng)度的影響，將進(jìn)氣系統(tǒng)質(zhì)心位置與進(jìn)氣風(fēng)門框通過(guò)RBE3單元連接，來(lái)進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)的簡(jiǎn)化建模。

進(jìn)氣風(fēng)門框的有限元模型如圖 1所示。

3 進(jìn)氣風(fēng)門框工況建立

對(duì)進(jìn)氣風(fēng)門框進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，需要分別考慮后機(jī)身嚴(yán)重工況以及機(jī)體支持剛度下進(jìn)氣風(fēng)門框受進(jìn)氣系統(tǒng)載荷時(shí)的影響。

3.1 后機(jī)身嚴(yán)重工況

考慮后機(jī)身嚴(yán)重工況，在全機(jī)受載情況下，對(duì)進(jìn)氣風(fēng)門框的強(qiáng)度進(jìn)行分析。邊界條件考慮在后機(jī)身與機(jī)體其他部段連接位置，加上全機(jī)模型下計(jì)算所得后機(jī)身嚴(yán)重工況下的強(qiáng)制位移。后機(jī)身嚴(yán)重載荷工況如表1 所示。

3.2 進(jìn)氣系統(tǒng)工況

邊界條件考慮在后機(jī)身與機(jī)體其他部段連接位置施加SPC，對(duì)6個(gè)自由度進(jìn)行約束。進(jìn)氣風(fēng)門框所受載荷包括進(jìn)氣系統(tǒng)的慣性載荷和氣動(dòng)載荷。

1）慣性載荷

進(jìn)氣系統(tǒng)的慣性載荷包括飛行載荷、地面載荷、動(dòng)載荷以及應(yīng)急著陸載荷，其中應(yīng)急載荷為CCAR25中561條款所規(guī)定，慣性載荷大小與方向?yàn)椋合蚯?g，向后1.5g，向上3g，向下6g，向左3g，向右3g。取這些載荷中各個(gè)方向的最大值來(lái)作為載荷輸入，加在進(jìn)氣系統(tǒng)質(zhì)心位置。

2）氣動(dòng)載荷

氣動(dòng)載荷通過(guò)氣動(dòng)軟件計(jì)算得到，所得氣動(dòng)載荷與慣性載荷相比，數(shù)量級(jí)相當(dāng)，不可忽略。最大氣動(dòng)力為3000N，方向向后，加在壓心位置。

通過(guò)對(duì)以上載荷進(jìn)行篩選和疊加，得到進(jìn)氣系統(tǒng)嚴(yán)重工況表，如表2所示。

4 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)第3節(jié)中的載荷工況，分別考慮后機(jī)身嚴(yán)重工況與進(jìn)氣系統(tǒng)載荷工況，采用Nastran軟件對(duì)7個(gè)工況進(jìn)行靜力分析，得到各個(gè)工況下的進(jìn)氣風(fēng)門框應(yīng)力分布和緊固件受力情況。材料許用值考慮溫度修正系數(shù)、鑄件系數(shù)、接頭系數(shù)等。通過(guò)與材料的許用值相比，得到結(jié)構(gòu)及緊固件的靜強(qiáng)度結(jié)論，來(lái)對(duì)進(jìn)氣風(fēng)門框進(jìn)行安全性評(píng)估。

考慮后機(jī)身嚴(yán)重工況，進(jìn)氣風(fēng)門框最嚴(yán)重的應(yīng)力分布如圖2所示，最嚴(yán)重工況為非校驗(yàn)機(jī)動(dòng)，進(jìn)氣系統(tǒng)風(fēng)門框最大應(yīng)力19.5MPa?？紤]進(jìn)氣系統(tǒng)載荷工況，進(jìn)氣風(fēng)門框最嚴(yán)重的應(yīng)力分布如圖3所示，最嚴(yán)重工況為向下15g，向后3g，疊加最大氣動(dòng)力，進(jìn)氣系統(tǒng)風(fēng)門框最大應(yīng)力152.5MPa。由此可知進(jìn)氣風(fēng)門框在受進(jìn)氣系統(tǒng)自身載荷時(shí)，受力情況更嚴(yán)重，材料的許用應(yīng)力為181MPa，符合強(qiáng)度要求。

進(jìn)氣風(fēng)門框緊固件的最大剪力發(fā)生在向下13.5g工況下，最大剪力為895N，緊固件許用剪切載荷為2651N；進(jìn)氣風(fēng)門框緊固件的最大拉力發(fā)生在向下13.5g工況下，最大拉力為152N，緊固件許用拉伸載荷為248N，考慮接頭系數(shù)，可知緊固件符合強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

本文對(duì)飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置進(jìn)氣系統(tǒng)風(fēng)門框進(jìn)行了有限元建模分析，充分考慮了后機(jī)身嚴(yán)重工況對(duì)進(jìn)氣風(fēng)門框的影響以及在機(jī)身支持剛度下進(jìn)氣風(fēng)門框所受進(jìn)氣系統(tǒng)的載荷工況，使分析更接近真實(shí)情況。通過(guò)分析得到了進(jìn)氣風(fēng)門框和緊固件的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，得到以下幾條結(jié)論：

1）考慮后機(jī)身嚴(yán)重工況后，進(jìn)氣風(fēng)門框最嚴(yán)重工況為非校驗(yàn)機(jī)動(dòng)，進(jìn)氣系統(tǒng)風(fēng)門框最大應(yīng)力19.5MPa，符合強(qiáng)度要求。

2）在機(jī)身支持剛度下考慮進(jìn)氣系統(tǒng)載荷工況，進(jìn)氣風(fēng)門框結(jié)構(gòu)最嚴(yán)重工況為向下15g，向后3g，疊加最大氣動(dòng)力，進(jìn)氣系統(tǒng)風(fēng)門框最大應(yīng)力152.5MPa。進(jìn)氣風(fēng)門框緊固件的最大載荷最嚴(yán)重工況為向下13.5g，最大剪力為895N，最大拉力為152N，符合強(qiáng)度要求。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]