飛機(jī)慣性基準(zhǔn)裝置安裝強(qiáng)度分析

嚴(yán)文軍

【摘 要】民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備中慣性基準(zhǔn)裝置是一個(gè)重要的航電系統(tǒng)設(shè)備，對于其安裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度有著嚴(yán)格的要求，以保證其在各種載荷狀況下能正常工作。本文介紹了慣性基準(zhǔn)裝置安裝強(qiáng)度的分析過程和方法，對其振動模態(tài)進(jìn)行了分析，得出了強(qiáng)度結(jié)論，對類似的飛機(jī)機(jī)載設(shè)備及其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析，提供了參考。

【關(guān)鍵詞】慣性基準(zhǔn)；安裝支架；強(qiáng)度；模態(tài)分析

0 引言

隨著民用飛機(jī)對飛行性能的要求不斷提高，飛機(jī)設(shè)計(jì)中對機(jī)載設(shè)備工作的可靠性和穩(wěn)定性有了更高的要求。航電系統(tǒng)是飛機(jī)重要的控制系統(tǒng)，慣性基準(zhǔn)裝置是航電系統(tǒng)中的導(dǎo)航設(shè)備，提供飛機(jī)俯仰，橫滾，航向以及及時(shí)地理位置等信息。為了確保設(shè)備測量信息的準(zhǔn)確性，慣性基準(zhǔn)裝置的安裝有著嚴(yán)格的要求，其與安裝托架的固有共振頻率應(yīng)大于180Hz，以確保設(shè)備與安裝結(jié)構(gòu)的剛性連接，避免振動和彈性形變對輸出的加速度和角速率信號的精度產(chǎn)生影響。為了滿足這個(gè)設(shè)備對于安裝支架強(qiáng)度和剛度的要求，保證飛機(jī)的安全，本文利用有限元分析方法對支架進(jìn)行靜強(qiáng)度和模態(tài)分析，評估結(jié)構(gòu)的安全性。

1 有限元模型簡介

慣性基準(zhǔn)裝置安裝于機(jī)頭，通過支架安裝在機(jī)身結(jié)構(gòu)上，安裝支架結(jié)構(gòu)采用7000系列機(jī)加件，各零件通過螺栓裝配在一起。安裝結(jié)構(gòu)包括3個(gè)支架，慣性基準(zhǔn)裝置通過4個(gè)螺栓與安裝支架相連，支架與機(jī)身結(jié)構(gòu)的框通過鉚釘連接。

采用有限元分析方法對慣性基準(zhǔn)裝置安裝支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，并將設(shè)備等結(jié)構(gòu)簡化為質(zhì)量點(diǎn)，支架有限元模型如圖1，分析模型中包含支架周圍的主結(jié)構(gòu)，主結(jié)構(gòu)范圍為沿飛機(jī)縱向前后各一個(gè)框，垂向和橫向均延伸至橫梁或縱梁。零件用Shell單元模擬，緊固件用bush單元模擬，設(shè)備質(zhì)量用conm2質(zhì)量單元模擬，并考慮了設(shè)備的轉(zhuǎn)動慣量，設(shè)備質(zhì)量點(diǎn)通過rbe2連接到安裝螺栓上。慣性基準(zhǔn)裝置安裝組件結(jié)構(gòu)通過鉚釘與機(jī)身結(jié)構(gòu)相連，使用bush單元模擬。最后，在主結(jié)構(gòu)的延伸邊界上施加剛性固定約束。

2 載荷概述

按照適航規(guī)章CCAR25部的要求，支架結(jié)構(gòu)需要滿足305、307條款的要求，確保飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性，此外，為了確保慣性基準(zhǔn)裝置在應(yīng)急著陸情況下能正常工作，還需滿足561條款的要求。因此，慣性基準(zhǔn)裝置靜強(qiáng)度計(jì)算考慮的載荷為飛機(jī)的過載包線和應(yīng)急著陸載荷。

2.1 全機(jī)過載包線

慣性基準(zhǔn)裝置安裝結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度計(jì)算考慮的載荷為飛機(jī)在空中和地面過程運(yùn)行中產(chǎn)生的載荷，通過全機(jī)的計(jì)算分析得到，在計(jì)算時(shí)，限制載荷需要考慮1.5的載荷系數(shù)，作為極限載荷使用。

2.2 應(yīng)急著陸載荷

慣性基準(zhǔn)裝置安裝結(jié)構(gòu)還需考慮CCAR-25中的561條款規(guī)定的應(yīng)急著陸載荷，慣性載荷大小和方向?yàn)椋合蚯?g，向后1.5g，向上3g，向下6g，向左3g，向右3g。

3 應(yīng)力結(jié)果及靜強(qiáng)度分析

慣性基準(zhǔn)裝置只考慮慣性載荷，根據(jù)第2節(jié)中的載荷，靜強(qiáng)度計(jì)算包含6個(gè)工況，分別為：向前9g，向后1.5g，向上3g，向下10.4g，向左3g，向右3g。

使用nastran軟件對有限元模型進(jìn)行靜力計(jì)算，得到6個(gè)計(jì)算工況下的零件應(yīng)力和緊固件受力，通過與零件材料和緊固件的許用值相比，可以計(jì)算得到結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的裕度，從而評估安裝結(jié)構(gòu)的安全性。

3.1 零件校核

慣性基準(zhǔn)裝置安裝支架緊固件的最大剪力發(fā)生在向前9g工況下，為1334N，緊固件為MS20470AD5鉚釘，緊固件直徑為3.97mm，零件厚度為2mm，零件的許用擠壓強(qiáng)度為723MPa，計(jì)算得到安全裕度為3.30。

4 模態(tài)分析

為了滿足設(shè)備安裝的頻率要求，需要對安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。因此，在對模型進(jìn)行模態(tài)分析后，計(jì)算模型自由振動的頻率，得到安裝結(jié)構(gòu)的一階頻率是238Hz，大于設(shè)備要求的180Hz，所以安裝支架結(jié)構(gòu)的剛度符合要求，結(jié)構(gòu)的一階振型如圖3所示。

5 結(jié)束語

本文對慣性基準(zhǔn)裝置安裝支架的有限元建模分析，得到了靜強(qiáng)度和模態(tài)計(jì)算結(jié)果，分析結(jié)果表明安裝結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度和剛度要求。

飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的載荷環(huán)境比較復(fù)雜，針對不同設(shè)備有一些特殊的載荷要求，需要進(jìn)行強(qiáng)度分析來確保其安裝結(jié)構(gòu)的安全性。此外，由于電子設(shè)備對于振動環(huán)境有較高的要求，一般需進(jìn)行模態(tài)分析以避開共振頻率，避免干擾設(shè)備的正常工作或使其由于振動造成失效。本文通過對飛機(jī)慣性基準(zhǔn)裝置安裝的載荷、靜強(qiáng)度和振動進(jìn)行分析，可以對類似的飛機(jī)機(jī)載設(shè)備強(qiáng)度分析提供參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉鴻文.材料力學(xué)[M].高等教育出版社，2003，3.

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

[責(zé)任編輯：楊玉潔]