某飞机外挂吊舱结构刚度、强度及振动特性分析_刘祎萍.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation642023 年 第 03 期文章编号：2095-6835（2023）03-0064-05某飞机外挂吊舱结构刚度、强度及振动特性分析刘祎萍（中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）摘要：针对某飞机外挂吊舱结构，利用有限元方法进行全尺寸建模和静强度分析，给出该吊舱及相关结构的应力分布，并对各零部件进行强度校核；同时基于静力学模型，对舱体结构进行质量建模，对吊舱结构的振动特性进行分析。计算结果表明，该外挂吊舱结构传力路线清晰，各结构件强度、刚度满足要求，振动特性良好。关键词：吊舱；有限元；强度分析；振动分析中图分类号：V223文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.03.019为了对航空设备的最终性能进行评估，需要对设备进行飞行试验。在试飞评估中必须将被试航空设备装载到飞机的特定位置，以满足被试设备的实验要求。通常除了在飞机外挂吊舱加载被试设备外，最典型的加载方式就是对载机进行改装，将设备布置到飞机理论外形之内，以避免外挂物影响载机气动的外形，从而导致飞行性能降低，以此保证被试设备的特殊测试要求，在试飞科目中完成对航空设备的最终性能评估。本文以某飞机外挂吊舱加载被试设备为研究对象，利用三维设计软件 CATIA 对外挂吊舱进行几何建模；运用有限元素法建立结构的有限元模型并进行典型工况的静强度分析，获得结构的应力分布及变形结果，并对各零部件进行强度校核以验证改装过渡段强度满足设计要求；采用 Lanczos 模态分析法1获得结构的振动特性，依据仿真分析结果给出外挂吊舱的设计建议。1有限元建模1.1结构简介吊舱结构主要由 2 个吊挂点、吊舱前段结构、上部结构、下部结构、前后整流罩、口盖及设备安装架等结构组成，如图 1 所示。吊舱装配形式为上部结构与下部结构对接，对接后与吊舱前段结构进行连接，前、后整流罩通过型材与吊舱前后端框连接。吊舱结构通过前、后吊耳与飞机挂架连接。图 1吊舱结构示意图改装机加件材料采用 7050-T7451，接头选用30CrMnSiA，前后整流罩选用复合材料。吊舱结构涉及到的金属材料性能数据如表 1 所示，复合材料性能如表 2 所示。表 1吊舱金属材料性能数据序号牌号杨氏模量 E/MPa泊松比拉伸强度b/MPa1705069 0000.33490230CrMnSiA196 0000.301 080表 2吊舱复合材料性能数据序号牌号纵向杨氏模量 E11/MPa横向杨氏模量 E22/MPa剪切模量G12/MPa泊松比失效判据1碳纤维53 20051 6003 3500.087拉伸=5 25010-6压缩=405010-6剪切=7 95010-62玻璃布20 20018 6003 1000.1391.2有限元建模方法及原则依据过渡段 CATIA 数模，分析整个结构的传力路径，根据各结构件的传力特性和圣维南原理将各个结构件进行力学简化：将蒙皮、框腹板、口盖腹板、梁 腹 板、转 接 支 架 等 简 化 为 二 维 壳 单 元（CQUAD4，CTRIA3），将加强筋、梁缘条、型材简化为一维梁单元（CBAR），将舱内加装设备简化为集中质量单元（CONM2），将螺栓类连接件简化为刚性单元（RB2）单元，铆钉连接通过连接结构节点耦合进行模拟。有限元模型共有节点 11 557 个、单元 13 815 个。舱体结构有限元模型如图 2 所示。吊舱下部结构后整流罩吊舱前段结构前整流罩吊舱上部结构吊耳Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期65图 2舱体结构有限元模型图在建模过程中，应遵循以下原则进行离散和简化模拟：力学等效原则。保证传力路线不变，模型选用适当的元素，以反映实际受力情况。刚度等效原则。正确模拟主要构件的切面刚度，不改变结构的刚度关系，正确模拟结构间的连接情况。1.3约束及载荷约束：依据吊舱结构三维图建立有限元模型，模型采用板、杆单元，在吊耳与 1 纵梁连接处约束 x、y、z 这 3 个方向的位移，飞机挂架防摆支架与吊舱接触位置约束吊舱的 Rx转动约束。由于加装设备通过集中质量进行模拟，因此吊舱结构的载荷主要为惯性载荷和气动载荷。惯性载荷以过载的形式进行施加，气动载荷利用 CFD 软件计算得到相应工况的压力分布。气动载荷：本文涉及 8 种状态下的气动分布载荷，8 种载荷状态的总载荷如表 3 所示。将气动载荷 Px均分到整流罩及各主承力框上，气动载荷 Py、Pz按载荷分布分配到整流罩及 1 框9 框主承力框上，分配结果如表 4 所示。惯性载荷如表 5 所示。表 3吊舱集中气动载荷（限制载荷，不确定系数 2）载荷状态载荷分量最大正过载 A最大负过载 D侧滑角度/（）+55情况 1Px/N4 2076 2765 452Py/N2 3141 1284 972Pz/N13 18013 180My/（Nm）18 39718 397Mz/（Nm）5 7968 2181 471情况 2Px/N4 4626 2575 472Py/N2 2461 1575 099Pz/N13 02313 023My/（Nm）18 57418 574Mz/（Nm）6 1008 2771 275表 4分配在各框上的气动载荷（限制载荷，不确定系数 2）载荷状态框位最大正过载 A最大负过载 D侧滑角度/（）+55Fy/NFy/NFy/NFz/NFy/NFz/N情况 1整流罩913.4175.3124.3586.4124.3586.41 框657.0735.7557.3854.0557.3854.02 框144.4517.0591.0423.7591.0423.73 框175.8235.2385.6211.3385.6211.34 框316.3224.6341.5227.5341.5227.55 框794.9219.3260.9308.2260.9308.27 框812.418.8313.8174.5313.8174.58 框289.01 053.8148.45 929.1148.45 929.19 框1 349.74 306.82 248.216 322.52 248.216 322.5扭矩过载M/（Nm）5 793.68 216.51 472.218 393.01 472.218 393.0情况 2整流罩985.5175.3133.3554.7133.3554.71 框710.4736.2597.3807.7597.3807.72 框146.2518.0632.7400.6632.7400.63 框178.8235.7412.8199.8412.8199.84 框321.2224.6365.7215.3365.7215.35 框806.5220.0276.4291.2276.4291.27 框824.518.8311.7164.8311.7164.88 框293.61 064.0146.25 933.5146.25 933.59 框1 371.04 349.62 224.816 320.42 224.816 320.4扭矩过载M/（Nm）6 100.58 276.71 274.218 571.01 274.218 571.0科技与创新Science and Technology&Innovation662023 年 第 03 期表 5吊舱惯性载荷（限制载荷，不确定系数 2）序号设备质量/kg过载 ny惯性载荷/N最大正过载 A最大负过载 D侧滑角度/（）最大正过载 A最大负过载D侧滑角度/（）+55+551吊舱结构19042117 448.03 724.01 862.01 862.02相机350421113 720.06 860.03 430.03 430.03图像记录仪154211588.0294.0147.0147.04PCS 设备2421178.439.219.619.65任务管理处理机154211588.0294.0147.0147.06数据采集记录设备154211588.0294.0147.0147.07交流配电盒34211117.658.829.429.48温度控制盒34211117.658.829.429.459323 245.611 622.85 811.45 811.42刚度、强度分析2.1刚度分析为了保证结构刚度足够以满足飞行安全及试飞过程中设备的测量精度，本文计算了在上述极限载荷下的变形结果。最大位移出现在正、负侧滑情况 1 中，位移值为 12.8 mm，如图 3、图 4 所示。可见整个吊舱结构变形连续合理。最大位移发生在整流罩下侧，为12.8 mm，变形结果不会影响飞行安全和被试设备试验精度。图 3正侧滑情况 1 舱体位移云图图 4负侧滑情况 1 舱体位移云图2.2强度分析高速大过载工况下，结构强度对飞行安全至关重要，根据有限元分析结果可知，吊舱结构在侧滑工况下，前、后挂点与 1 纵梁连接区域产生较大应力。1纵梁最大应力为 195 MPa，安全系数为 2.5。框最大应力为 143 MPa，位于 1 纵梁前挂点附近区域，该极限工况下的等效应力云图如图 5、图 6 所示。图 5正侧滑情况 1 舱体应力云图图 6正侧滑情况 1 纵梁与框应力云图吊舱整流罩结构分为前、后整流罩，通过转接段与舱体 1 框、9 框连接，如图 7 所示。整流罩材料为蜂窝复材结构，铺层顺序为碳纤维（0/90）玻璃布（0/90/90/0）胶膜蜂窝胶膜 玻璃布（0/90/90/0）碳纤维（0/90）。根据有限元计算结果，吊舱前、后整流罩应变较大区域为整流罩尖端位置。前、后整流罩应变计算情况如表 6 所示。根据计算结果可知，吊舱前、后整流罩结构满足静强度设计要求。图 7吊舱整流罩结构图后整流罩X前整流罩YZScience and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期67表 6吊舱整流罩强度计算汇总序号部件名称计算工况计算应变/应力最大应变/应力工况许用值剩余强度1前整流罩复材最大拉应力20610-6最大正过载情况 25 25010-61012复材最大压应力30510-6最大负过载情况 14 05010-6103复材最大剪应力26910-6最大正过载情况 27 95010-6104蜂窝压缩0.048 MPa负侧滑情况 12.5 MPa105蜂窝剪切0.047 MPa最大负过载情况 10.75 MPa106后整流罩复材最大拉应力1 54010-6最大负过载情况 15 25010-63.47复材最大压应力1 15010-6最大负过载情况 24 05010-63.58复材最大剪应力1 29010-6最大负过载情况 17 95010-66.29蜂窝压缩0.134 MPa最大负过载情况 22.5 MPa1010蜂窝剪切0.134 MPa最大负过载情况 10.75 MPa5.6由以上分析结果可知，该吊舱结构设计合理，吊舱上部结构、下部结构、前段结构、整流罩及其与挂架连接结构强度、刚度及稳定性满足设计要求。3振动特性分析飞机飞行过程中结构失效的主要原因除了在静载作用下导致结构应力超过其极限应力外，还有很大一部分是由于在动载荷作用下结构固有动力学特性不合理而产生局部共振，从而使振动发散最终导致结构破坏。不同于疲劳破坏需要发生在一定的载荷循环次数并且具有疲劳裂纹扩展过程，由共振导致的结构破坏往往是由于在某一次飞行架次中达到一定的条件时产生快速而极具破坏性的损伤，导致结构迅速被破坏或解体，因此吊舱结构的振动特性分析就显得极为重要。在静力模型的基础上对舱体结构进行质量建模，材料添加密度参数后，将缺少的质量以集中质量分配到主承力框上；设备用集中质量模拟，采用 MPC 与舱体结构连接，如图 8 所示。图 8动力学有限元模型图3.1固有频率计算结构刚度和质量分布将严重影响结构的固有频率计算结果，为保证结构刚度和质量模拟的准确性，选取实际结构截面作为梁单元截面，并通过单元偏置实现所定义的梁截面