民用飛機電子設備標準托架強度分析

陳峰

【摘 要】民用飛機電子設備安裝在托架上，為保證設備在各種載荷狀況下的正常工作，托架需要具備一定的承載能力。本文對某型號民用飛機的標準設備托架進行了強度分析，介紹了有限元建模過程和分析方法，為其他設備托架的結構設計和強度分析提供了參考。

【關鍵詞】民用飛機；設備托架；有限元；強度分析

0 引言

設備托架是由相互依存的零件和緊固件組成的支承結構組件，用于設備的安裝固定。民用飛機實現電子設備標準化，其外形尺寸，前端鎖勾，后端連接器，重量，熱載荷等級等符合ARINC600[1]標準，可迅速拆卸和更換。為實現ARINC600電子設備的固定安裝、快速插拔和集中維護，同時實現在設備架上規定位置的互換性，設計了一系列標準設備托架。如圖1所示，ARINC600自然冷托架主要由導向件、安裝板、墊板和加強片組成。本文以3MCU自然風冷標準托架為例，采用有限元分析方法[2]對標準托架進行強度分析，評估結構的安全性。

1 有限元分析

標準托架中零件的材料主要選用7075-T62鋁合金和15-5PH-H925不銹鋼，各零件之間采用鉚釘連接。標準托架底部與結構橫梁分別通過4個螺栓連接，鎖緊器鉸鏈座與托架底部分別通過2個螺栓連接，橫梁兩端約束三個自由度的平動。

1.1 工況

標準支架上安裝電子設備，如圖3所示。根據CCAR-25（運輸類飛機適航標準）中有關設備架適用的條款規定，托架需在使用限制載荷和極限載荷（限制載荷乘以規定的安全系數）下滿足強度要求。此外為保證設備在應急著陸情況下仍能正常工作，托架還需要滿足CCAR-25中561條的要求。根據飛機各占位坐標限制過載系數的規定以及機載設備沖擊和墜撞安全環境條件及試驗程序，并考慮到標準托架在飛機設備架上的安裝位置、安裝方向不固定，故各方向過載取最大值，最終確定標準托架的計算工況為：向前9g（應急著陸）、向后9g（應急著陸）、側向9g（墜撞）、向上9g（墜撞）、向下11.2g（極限過載包線），方向如圖3所示。

1.2 載荷

托架的載荷主要來自其安裝的機箱設備，工況向前時，載荷全部由鎖緊器的緊定鉤承受，工況向上時，載荷全部由后部連接和緊定鉤承受，側向工況時，設備所產生的力由后部連接和緊定鉤承受，向后工況時，設備所產生的力全部由安裝板承受，向下工況時，設備所產生的力由導軌板承受。

根據ARINC600規定，3MCU標準托架允許的最大機箱設備重量為7.5kg。本文重心選取位置為設備形心處，所以在機箱重心位置施加向前、向上、側向、向后極限載荷F=661.5N；向下工況時，按照公式P=，計算導向件底板壓力載荷為0.035MPa，S為機箱與托架底部接觸的有效面積。

1.3 有限元建模

采用有限元分析方法對標準托架進行有限元建模，其中導向件、墊板、安裝板、鉸鏈座采用殼單元，厚度為零件實際厚度；螺栓連接處用REB2、CBAR剛性單元；鉚釘用CWELD單元進行模擬，直徑和材料按實際鉚釘材料定義；機箱用一組剛性梁CBAR 模擬；機箱與托架后部連接器連接處采用彈簧單元CELAS2模擬。

在向前工況下，在托架前部邊緣建立一組垂直彈簧模擬機箱對托架的垂向壓力，鎖緊器中的螺桿、環扣、旋鈕組件用CBAR單元進行模擬，如圖4所示。

2 應力結果及強度分析

采用Hypermesh軟件進行有限元計算，得到5個工況下的零件應力。本文通過對比零件應力和材料許用值，計算得到結構靜強度的裕度，評估托架的承載能力和安全性。零件安全裕度計算公式[3]如下：

式中：σtu為零件的材料許用值；σmax為零件最大Mises應力。

根據5個載荷工況下托架的應力云圖可知，向前、向后、向上、向下4個工況的最大應力位于導向件底板前部邊緣上，其中向前工況下零件應力最大，如圖7所示，應力值為265Mpa，導向件材料為7075-T62，材料許用值為537MPa，安全裕度為：

3 結論

本文對民用飛機標準設備托架進行了有限元建模分析，得到靜強度計算結果，分析結果表明標準設備托架滿足強度要求。

民用飛機中ARINC600電子設備需要快速插拔和集中維護，標準托架的設計不但可以很好的滿足這些要求，還實現了在設備架上規定位置的互換性。但同時其載荷環境也相對比較復雜。本文通過對民用飛機標準設備托架進行靜強度分析，證明了標準設備托架安全性，可以為其他類型的飛機電子設備安裝結構的強度分析提供參考。

【參考文獻】

[1]AIR TRANSPORT AVIONICS EQUIPMENT INTERFACES：ARINC 600-19-2011[S].

[2]王勖成，邵敏編著.有限單元法基本原理和數值方法[M].清華大學出版社， 1997.

[3]飛機設計手冊·9·載荷、強度和剛度[M].航空工業出版社，2001.

[責任編輯：朱麗娜]