某型飛機垂尾工作平臺仿真計算及優化

汪邦中

摘 要：該文介紹了民用飛機大型工作梯類地面設備在飛機維修時可以提高維修效率、降低維修成本和保證飛機某些部位的維修可達等功能，并提出了工作梯仿真計算的必要性。該文以某型飛機垂尾工作平臺為例，利用有限元方法對大型工作平臺整體建立有限元模型，通過有限元仿真計算方法對其整體結構強度進行分析。根據分析結果，對工作平臺的局部結構給出優化建議。

關鍵詞：地面設備 工作平臺 仿真計算

中圖分類號：V21 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（c）-0010-04

民用飛機在航線運營時，在一定飛行小時或一定循環架次后，需進行各項檢查、維修和維護任務。如何提高飛機的維修效率、降低飛機的維修時間是國內外各家航空維修公司的目標。民用飛機大型工作平臺不僅可以方便飛機某些位置的檢查和維修，也可以保證飛機幾個部位同時進行維修，這就可以大大降低飛機維修時間和成本，提高經濟效益。由于大型工作平臺多用于飛機局部難以達到的區域，而飛機某些部位的高度需要達到5 m甚至更高的高度，這就使得某些大型工作平臺高度、重量等參數比一般設備大。這些設備在使用的時候會存在人員和飛機方面的安全問題。設備的龐大，造成對設備整體結構強度、移動等方面要求較高。

對于所有大型工作平臺來說，在結構設計時，平臺的設計剛度應達到要求，保證平臺在使用時不碰到飛機結構造成結構損傷；抽拉板的剛度達到要求，保證維修人員安全；對平臺結構進行整體強度校核，保證工作平臺整體安全。因此，對其進行仿真計算，對其結構剛度、強度進行校核和對部分結構件進行優化尤為重要。

1 仿真計算及優化

1.1 仿真計算對象概述

某型飛機垂尾工作平臺總重量為4.7 t，采用懸挑結構設計。工作平臺的上部兩層為懸挑平臺，每層工作臺面下面均設有抽拉板，其中上層單側7塊，下層單側10塊，每塊抽拉板重12 kg。上部兩層懸挑平臺材料為鋁合金6061-T4，平臺其余部分材料為鋼Q235。整個平臺分若干模塊，模塊間用螺栓連接，模塊內部電焊連接。三維結構模型如圖1所示。

1.2 材料屬性

模型中所涉及的材料牌號為6061-T4和Q235，其材料屬性如表1所示。

2 載荷條件與計算要求

2.1 載荷條件

（1）載荷。

根據設計要求，懸挑平臺額度載荷為：單側總載荷400 kg，每層200 kg；安全系數為1.6；則設計載荷為單側總載荷640 kg，每層320 kg。

（2）載荷加載形式。

載荷加載形式以均布載荷200 kg/m2進行加載。安全系數為1.6，考慮極限情況，采用將均布力緊靠端面方式加載。

（3）抽拉板有效伸出長度為650 mm，抽拉板單塊承載125 kg，安全系數1.6，校核計算中加載200 kg。考慮極限情況，采用端面施加集中力的加載形式。

2.2 計算要求

（1）根據模型，對平臺在設計載荷下進行整體結構的強度、懸挑平臺剛度和關鍵支撐的穩定性進行分析，對存在安全隱患的部件進行結構優化。

（2）對抽拉板按設計承載200 kg工況下的剛度進行分析。

3 有限元計算模型

根據垂尾工作平臺三維模型，發現其設計主要采用各種型材和板材。因此平臺的有限元模型建立主要采用梁單元和殼單元建模。對模型中的各種型材采用beam單元，平臺花紋鋁板和鋼板采用shell單元。模型中共有12 314個beam單元和12 806個shell單元，有限元模型如圖2所示。三維模型中，對梯子踏板和和部分扶手等影響平臺整體強度和剛度的部件進行了簡化處理。

垂尾平臺約束以手搖支持的位置為約束點，約束方式簡化為所有自由度全約束，載荷加載方式以緊靠端面200 kg/m2均布壓力垂直加載（載荷最惡劣情況），詳細約束和加載位置如圖3所示。

4 仿真計算結果

4.1 平臺強度與剛度

考慮重力的影響，在設計載荷作用下，平臺的位移云圖和應力云圖如圖4所示，通過分析平臺的仿真結果發現，最大位移出現在二層懸挑平臺最右側位置，最大位移量為50.67 mm（云圖位移最大值為57.44 mm，抽拉板位置不是平臺本身的最大位移）。平臺最大應力出現中間平臺斜撐位置以下，最大應力值為74.40 MPa。考慮平臺中下部結構材料為Q235，此最大值小于材料屈服強度，平臺整體結構強度安全。結果詳見圖4。

4.2 平臺穩定性

該文根據垂尾平臺有限元模型，運用NX.NASTRAN對平臺進行線性屈曲分析。在考慮重力的影響下，仿真計算時，施加的載荷=重力+k×設計載荷，需要調整k的值進行迭代計算，最終使計算得到的屈曲系數約等于1，這時對應的k就是真實的屈曲系數。計算得到平臺的第一階屈曲系數為9.44，即在施加載荷達到設計載荷9.44倍的時候、并加上平臺自身的重量的情況下，平臺才可能失穩（如圖5所示）。

5 結論

通過對垂尾工作平臺整體有限元仿真分析，可以得出以下結論。

（1）平臺最大應力出現在二層平臺鋼結構位置，遠小于Q235的屈服應力，整體強度滿足要求。

（2）垂尾平臺工作的最大位移，出現在二層懸挑平臺最右側位置，最大位移值為50.67 mm，建議采用較6061-T4材料性能更優的替代材料，有效降低平臺位移量。

（3）在設計載荷條件下，平臺穩定性滿足要求，可在最大應力位置加焊斜撐，增強剛度。

參考文獻

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