飛機輔助動力裝置進氣系統風門框靜強度分析

郁思佳

【摘 要】本文選取某型飛機輔助動力裝置為研究對象，以有限元理論為基礎，建立了其進氣系統風門框的有限元模型，針對不同工況下的約束和載荷，分別考慮后機身嚴重工況和機體支持剛度下進氣風門框受進氣系統載荷的影響，對模型進行了靜強度計算與分析，并得出結論。結果表明：進氣系統風門框符合強度要求，從而為飛機輔助動力裝置進氣系統強度分析提供了參考。

【關鍵詞】輔助動力裝置；進氣系統風門框；靜強度；有限元分析

0 引言

某型飛機的輔助動力裝置進氣系統風門框與后機身框連接，風門框作為機身框的一部分也會參與全機傳載，此外，機體的彈性支持也會影響到進氣系統風門框的傳載情況。因此在分析輔助動力裝置進氣系統強度時，直接將進氣風門框進行固支約束，來進行進氣風門框的強度評估是不準確的。國內外相關文獻對輔助動力裝置進氣系統強度分析的研究較少。本文采用有限元法，對進氣風門框的靜強度進行評估，計算分析兼顧后機身嚴重工況以及機體支持剛度對進氣風門框強度的影響，對結構和緊固件進行校核。結果表明：進氣系統風門框符合強度要求。

1 有限元法

在對飛機輔助動力裝置進氣系統風門框進行靜強度分析時，首先根據有限元理論對其進行建模，然后進行有限元計算，對結構及緊固件的應力結果進行分析與校核。

1.1 有限元理論

有限元分析是將結構進行離散化，把連續結構離散成由若干有限大小的單元通過節點連接成等效的組合體，然后對單元進行力學分析，建立單元的剛度矩陣，組集形成結構總剛度矩陣，求出結構的節點位移和單元的內力。

1.2 結果校核方法

根據有限元方法，可求得結構的應力和緊固件的受力，然后對其進行校核。

結構安全裕度計算公式為：

緊固件校核主要考慮承剪破壞、承拉破壞，計算過程如下所述。

1）緊固件承剪安全裕度計算公式為：

2）緊固件承拉安全裕度計算公式為：

2 有限元模型建立

進氣風門框位于后機身，與兩個機身框相連。為了充分考慮機身的彈性支持對分析結果的影響，本文采用HyperMesh有限元前處理軟件，在后機身有限元模型中，建入APU風門框的模型，風門框采用SHELL單元模擬，風門框與機身框間的緊固件通過WELD單元模擬。

2.1 進氣風門建模

為了考慮進氣系統進氣風門所受氣動力的影響，在進氣風門框有限元模型中，進行進氣風門的簡化建模。將風門氣動壓心位置與風門和門框相連的位置通過RBE2單元連接；作動器用ROD單元模擬，一端連壓心位置，另一端通過RBE2單元與風門框相連；風門所受氣動載荷加到壓心位置。

2.2 進氣系統建模

為了考慮進氣系統自身重量在飛機慣性載荷工況下對進氣風門框強度的影響，將進氣系統質心位置與進氣風門框通過RBE3單元連接，來進行進氣系統的簡化建模。

進氣風門框的有限元模型如圖 1所示。

3 進氣風門框工況建立

對進氣風門框進行強度分析時，需要分別考慮后機身嚴重工況以及機體支持剛度下進氣風門框受進氣系統載荷時的影響。

3.1 后機身嚴重工況

考慮后機身嚴重工況，在全機受載情況下，對進氣風門框的強度進行分析。邊界條件考慮在后機身與機體其他部段連接位置，加上全機模型下計算所得后機身嚴重工況下的強制位移。后機身嚴重載荷工況如表1 所示。

3.2 進氣系統工況

邊界條件考慮在后機身與機體其他部段連接位置施加SPC，對6個自由度進行約束。進氣風門框所受載荷包括進氣系統的慣性載荷和氣動載荷。

1）慣性載荷

進氣系統的慣性載荷包括飛行載荷、地面載荷、動載荷以及應急著陸載荷，其中應急載荷為CCAR25中561條款所規定，慣性載荷大小與方向為：向前9g，向后1.5g，向上3g，向下6g，向左3g，向右3g。取這些載荷中各個方向的最大值來作為載荷輸入，加在進氣系統質心位置。

2）氣動載荷

氣動載荷通過氣動軟件計算得到，所得氣動載荷與慣性載荷相比，數量級相當，不可忽略。最大氣動力為3000N，方向向后，加在壓心位置。

通過對以上載荷進行篩選和疊加，得到進氣系統嚴重工況表，如表2所示。

4 有限元計算結果與分析

根據第3節中的載荷工況，分別考慮后機身嚴重工況與進氣系統載荷工況，采用Nastran軟件對7個工況進行靜力分析，得到各個工況下的進氣風門框應力分布和緊固件受力情況。材料許用值考慮溫度修正系數、鑄件系數、接頭系數等。通過與材料的許用值相比，得到結構及緊固件的靜強度結論，來對進氣風門框進行安全性評估。

考慮后機身嚴重工況，進氣風門框最嚴重的應力分布如圖2所示，最嚴重工況為非校驗機動，進氣系統風門框最大應力19.5MPa?？紤]進氣系統載荷工況，進氣風門框最嚴重的應力分布如圖3所示，最嚴重工況為向下15g，向后3g，疊加最大氣動力，進氣系統風門框最大應力152.5MPa。由此可知進氣風門框在受進氣系統自身載荷時，受力情況更嚴重，材料的許用應力為181MPa，符合強度要求。

進氣風門框緊固件的最大剪力發生在向下13.5g工況下，最大剪力為895N，緊固件許用剪切載荷為2651N；進氣風門框緊固件的最大拉力發生在向下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，可知緊固件符合強度要求。

5 結論

本文對飛機輔助動力裝置進氣系統風門框進行了有限元建模分析，充分考慮了后機身嚴重工況對進氣風門框的影響以及在機身支持剛度下進氣風門框所受進氣系統的載荷工況，使分析更接近真實情況。通過分析得到了進氣風門框和緊固件的靜強度計算結果，得到以下幾條結論：

1）考慮后機身嚴重工況后，進氣風門框最嚴重工況為非校驗機動，進氣系統風門框最大應力19.5MPa，符合強度要求。

2）在機身支持剛度下考慮進氣系統載荷工況，進氣風門框結構最嚴重工況為向下15g，向后3g，疊加最大氣動力，進氣系統風門框最大應力152.5MPa。進氣風門框緊固件的最大載荷最嚴重工況為向下13.5g，最大剪力為895N，最大拉力為152N，符合強度要求。

【參考文獻】

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