作動器固定支座結構優化設計

司超超+凡玉

摘 要：作動器固定支座是飛機結構的重要連接元件之一，是承受和傳遞集中載荷且易發生疲勞破壞元件，也是飛機結構強度計算和細節分析的關鍵部位。文章通過對作動器固定支座結構優化設計和強度計算，結果表明：點點式作動器安裝結構宜采用雙面連接固定支座結構形式，且固定支座結構滿足強度設計要求。

關鍵詞：作動器；固定支座；飛機結構；優化設計

1 概述

飛行控制系統是飛機重要的系統之一，飛行員通過飛行控制系統控制飛行各個操縱面的位置，從而控制飛機的姿態[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構形式和結構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構進行分析研究，結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構形式，再運用MSC.Patran/Nastran軟件對固定支座結構進行強度校核和結構優化，以期得到最佳固定支座結構方案，最后結合《飛機設計手冊第9冊》中耳片校核方法。

2 先進民機作動器固定支座結構形式

2.1 A320飛機

A320飛機副翼作動器采用點點式安裝結構，與機翼后梁連接的固定支座采用“三面連接”結構形式。“三面連接”結構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，該結構形式簡單、可靠性大、固定支座結構剛度大、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構，與機翼后梁連接的固定支座采用“雙面連接”結構形式。“雙面連接”結構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”結構形式，該結構形式簡單、重量輕、傳力直接、對后緣艙結構布局和系統管路電纜布局有利等優點。

3 固定支座結構優化設計和耳片校核

3.1 結構優化設計

升降舵作動器安裝結構形式是點點式，從結構強安全性和可靠性考慮，作動器固定支座初始設計時擬定“三面連接”結構形式（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，Fy=0N，Fz=20140N。然后運用MSC.Patran和MSC.Nastran軟件對固定支座結構進行強度校核，計算結果見圖1。

由圖1可以看出固定支座最大應力在與后梁連接上面三個螺栓處，且應力最大值為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。固定支座最小應力在后梁下緣條連接區和下壁板連接區，且最小應力值約為0.03MPa。

顯而易見，固定支座采用“三面連接”結構對于結構重量是不利的，固定支座高應力區位于與上壁板和后梁上緣條連接區，固定支座與后梁下緣條和下壁板連接區應力水平較低，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，應更換7050-T7451鋁合金材料。其次，結構參數也應該進行適當優化，通過結構參數調參以實現在滿足結構完整性和功能完整性前提下輕重量目標。因此，在綜合考慮結構強度和輕重量前提下，將固定支座下半部分直接優化除去，僅采用與盒段上壁板和后梁上緣條區域連接，即固定支座選用“雙面連接”結構形式（如圖2所示），將材料由15-5PH更換為7050-T7451，同時對固定支座結構參數進行調參，然后運用MSC.Patran/MSC.Nastran軟件對優化后的固定支座進行強度校核（如圖2所示）。結果表明：固定支座最大應力為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，結構實現減重71%，且為后緣艙內液壓管路和電纜等布局提供便利條件。

3.2 耳片校核

耳片結構形式雖很簡單，但耳孔周圍的應力狀態卻很復雜。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，螺栓和耳孔內表面的傳力過程是個接觸應力問題，耳片受載時，其頭部處于拉伸、彎曲和剪切復合受力狀態之下。由于加載時銷栓本身會產生彎曲變形，使得耳孔內壁的應力分布沿耳片厚度方向發生變化。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雜，一般采用工程簡化方法。按照《飛機設計手冊》第九冊32.4節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，耳片參數含義見圖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？琢時的極限載荷；

Pult為耳片承受的外加斜向載荷拉伸設計極限載荷。

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，與耳片材料、b/d、？琢等有關，可以從《飛機設計手冊》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；

F為沿孔中心的凈面積，單耳F=（b-d）t，雙耳F=2（b-d）t。

固定支座耳片的結構參數見表1。借助《飛機設計手冊》第九冊32.4節參數圖查得所需折算系數，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，滿足強度設計要求。

表1 固定支座的結構參數（單位：mm）

4 結束語

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

（2）通過MSC.Patran/Nastran軟件分析和理論計算，固定支座結構安全裕度大于0.15，滿足強度設計要求，而且實現結構減重71%。

參考文獻

[1]陶梅貞.現代飛機結構綜合設計 [M]. 西安： 西北工業大學出版社，2007.

[2]中國航空研究院.飛機設計手冊[M].北京：航空工業出版社，2001.