飛機清洗車后支腿結構優化設計

肖 超，李 偉，邵 騰，叢日平

(山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治 046000)

0 引言

飛機在日常飛行中，表面經常會接觸到風沙、灰塵、煙霧、酸霧等污染物，這不僅影響飛機的外觀，而且會對飛機表面造成不可逆轉的腐蝕傷害。飛機表面清洗作業已經成為飛機保養過程中的一個重要環節[1]。

支腿是飛機清洗車的重要部件之一，應滿足強度、剛度和模態性能的要求。當一定的外載荷施加于該飛機清洗車時，其支腿系統產生的結構變形會在輸出端累積放大，支腿剛度大小會對末端定位精度、軌跡運動精度、控制精度等產生影響。當支腿剛度不足時，系統零部件會由于彈性變形過大而導致末端執行工作器的穩定性降低、性能變差，嚴重時可能造成其薄弱環節的損壞。因此，有必要對支腿結構進行剛度分析。

為減小支腿重量和焊縫數量，本文利用有限元軟件對飛機清洗車后支腿結構進行了優化設計，并分析了優化方案的合理性。

1 后支腿結構分析

利用UG軟件建立后支腿三維模型,如圖1所示。

圖1 后支腿模型

將后支腿三維模型導入有限元軟件[2,3]中，添加A端上表面Z方向的移動約束以及A端內孔沿X、Y方向的移動約束；在B端施加沿Z方向的9 t集中力載荷；采用10 mm大小的網格劃分模型。后支腿有限元模型如圖2所示。

用有限元軟件對后支腿進行剛度分析并求解，獲得的位移和應力云圖如圖3和圖4所示。

圖2 后支腿有限元模型 圖3 后支腿Z向位移云圖 圖4 后支腿應力云圖

由圖3和圖4可知，該后支腿結構存在如下問題：

(1) 后支腿尾部Z方向存在較大的彈性變形(最大位移為20.5 mm)，對整體系統的位姿調平、末端執行器軌跡控制精度有不可忽略的影響。

(2) W型筋板所承受的最大應力值(50 MPa)遠遠小于材料本身的許用應力強度值，造成材料的浪費，并加重了支腿重量。

(3) W型筋板、內部加強筋板數量過多，導致焊縫類型多、焊接工作量大，且焊接工藝性較差。

(4) 側位板僅在外側施焊，當支腿受力變形時起不到分擔載荷的作用，而且存在凹凸變形。

2 后支腿結構優化設計

后支腿是一個典型的承受重載荷的焊接結構件，如何優化結構，減少焊縫數量，同時滿足剛度和動態載荷性能要求是后支腿優化設計的重要內容，通過有限元軟件，在質量一定的情況下，通過設計合理的結構模型、選擇合適的板厚構件來優化后支腿結構。

2.1 優化模型的建立

在有限元軟件中建立后支腿優化模型，定義如表1所示的設計變量及取值范圍，不斷調用有限元軟件進行仿真分析并得到最優解。各零件板厚優化值如表2所示。

表1 設計變量值 mm

表2 各板優化值 mm

2.2 優化結果

在后支腿重量一定的情況下，以系統應力值最小為優化目標，通過迭代計算后得到優化后的后支腿靜力學分析結果，如圖5和圖6所示。

由圖3和圖4與圖5和圖6對比可知，優化后的支腿結構具有以下優點：

(1) 后支腿尾部Z軸方向的彈性變形由20.5 mm減小到15.8 mm。

(2) 最大應力值由563 MPa減小到360 MPa，安全系數大幅增加，系統承載能力增強。

2.3 最終的結構模型

最終確定的后支腿結構如圖7所示。

(1) 內部W型筋板轉化到外圍側板上(側板厚度變大)，焊縫數量顯著減少，降低了加工成本。

(2) 支腿轉軸處添加貼板來改善局部應力值過大；尾端添加加強筋以增強其抵抗彈性變形的能力。

(3) 側板板厚由4 mm加厚為8 mm，具有分流承載功能，加強了整體剛度性能。

(4) 兩個側板之間添加橫撐管，防止側板凹凸變形過大。

3 結語

本文將有限元分析應用于支腿結構部件的研發設計當中，在研制初期對其進行靜力學分析并根據仿真結果對其結構進行優化設計，可以提高材料利用率，大大縮短產品的開發周期，降低研發成本。