某型飛機(jī)垂尾工作平臺(tái)仿真計(jì)算及優(yōu)化

汪邦中

摘 要：該文介紹了民用飛機(jī)大型工作梯類地面設(shè)備在飛機(jī)維修時(shí)可以提高維修效率、降低維修成本和保證飛機(jī)某些部位的維修可達(dá)等功能，并提出了工作梯仿真計(jì)算的必要性。該文以某型飛機(jī)垂尾工作平臺(tái)為例，利用有限元方法對(duì)大型工作平臺(tái)整體建立有限元模型，通過有限元仿真計(jì)算方法對(duì)其整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)工作平臺(tái)的局部結(jié)構(gòu)給出優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：地面設(shè)備 工作平臺(tái) 仿真計(jì)算

中圖分類號(hào)：V21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07（c）-0010-04

民用飛機(jī)在航線運(yùn)營(yíng)時(shí)，在一定飛行小時(shí)或一定循環(huán)架次后，需進(jìn)行各項(xiàng)檢查、維修和維護(hù)任務(wù)。如何提高飛機(jī)的維修效率、降低飛機(jī)的維修時(shí)間是國(guó)內(nèi)外各家航空維修公司的目標(biāo)。民用飛機(jī)大型工作平臺(tái)不僅可以方便飛機(jī)某些位置的檢查和維修，也可以保證飛機(jī)幾個(gè)部位同時(shí)進(jìn)行維修，這就可以大大降低飛機(jī)維修時(shí)間和成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。由于大型工作平臺(tái)多用于飛機(jī)局部難以達(dá)到的區(qū)域，而飛機(jī)某些部位的高度需要達(dá)到5 m甚至更高的高度，這就使得某些大型工作平臺(tái)高度、重量等參數(shù)比一般設(shè)備大。這些設(shè)備在使用的時(shí)候會(huì)存在人員和飛機(jī)方面的安全問題。設(shè)備的龐大，造成對(duì)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、移動(dòng)等方面要求較高。

對(duì)于所有大型工作平臺(tái)來說，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，平臺(tái)的設(shè)計(jì)剛度應(yīng)達(dá)到要求，保證平臺(tái)在使用時(shí)不碰到飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成結(jié)構(gòu)損傷；抽拉板的剛度達(dá)到要求，保證維修人員安全；對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體強(qiáng)度校核，保證工作平臺(tái)整體安全。因此，對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)其結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度進(jìn)行校核和對(duì)部分結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化尤為重要。

1 仿真計(jì)算及優(yōu)化

1.1 仿真計(jì)算對(duì)象概述

某型飛機(jī)垂尾工作平臺(tái)總重量為4.7 t，采用懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。工作平臺(tái)的上部?jī)蓪訛閼姨羝脚_(tái)，每層工作臺(tái)面下面均設(shè)有抽拉板，其中上層單側(cè)7塊，下層單側(cè)10塊，每塊抽拉板重12 kg。上部?jī)蓪討姨羝脚_(tái)材料為鋁合金6061-T4，平臺(tái)其余部分材料為鋼Q235。整個(gè)平臺(tái)分若干模塊，模塊間用螺栓連接，模塊內(nèi)部電焊連接。三維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.2 材料屬性

模型中所涉及的材料牌號(hào)為6061-T4和Q235，其材料屬性如表1所示。

2 載荷條件與計(jì)算要求

2.1 載荷條件

（1）載荷。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，懸挑平臺(tái)額度載荷為：?jiǎn)蝹?cè)總載荷400 kg，每層200 kg；安全系數(shù)為1.6；則設(shè)計(jì)載荷為單側(cè)總載荷640 kg，每層320 kg。

（2）載荷加載形式。

載荷加載形式以均布載荷200 kg/m2進(jìn)行加載。安全系數(shù)為1.6，考慮極限情況，采用將均布力緊靠端面方式加載。

（3）抽拉板有效伸出長(zhǎng)度為650 mm，抽拉板單塊承載125 kg，安全系數(shù)1.6，校核計(jì)算中加載200 kg。考慮極限情況，采用端面施加集中力的加載形式。

2.2 計(jì)算要求

（1）根據(jù)模型，對(duì)平臺(tái)在設(shè)計(jì)載荷下進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、懸挑平臺(tái)剛度和關(guān)鍵支撐的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對(duì)存在安全隱患的部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

（2）對(duì)抽拉板按設(shè)計(jì)承載200 kg工況下的剛度進(jìn)行分析。

3 有限元計(jì)算模型

根據(jù)垂尾工作平臺(tái)三維模型，發(fā)現(xiàn)其設(shè)計(jì)主要采用各種型材和板材。因此平臺(tái)的有限元模型建立主要采用梁?jiǎn)卧蜌卧?。?duì)模型中的各種型材采用beam單元，平臺(tái)花紋鋁板和鋼板采用shell單元。模型中共有12 314個(gè)beam單元和12 806個(gè)shell單元，有限元模型如圖2所示。三維模型中，對(duì)梯子踏板和和部分扶手等影響平臺(tái)整體強(qiáng)度和剛度的部件進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。

垂尾平臺(tái)約束以手搖支持的位置為約束點(diǎn)，約束方式簡(jiǎn)化為所有自由度全約束，載荷加載方式以緊靠端面200 kg/m2均布?jí)毫Υ怪奔虞d（載荷最惡劣情況），詳細(xì)約束和加載位置如圖3所示。

4 仿真計(jì)算結(jié)果

4.1 平臺(tái)強(qiáng)度與剛度

考慮重力的影響，在設(shè)計(jì)載荷作用下，平臺(tái)的位移云圖和應(yīng)力云圖如圖4所示，通過分析平臺(tái)的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最大位移出現(xiàn)在二層懸挑平臺(tái)最右側(cè)位置，最大位移量為50.67 mm（云圖位移最大值為57.44 mm，抽拉板位置不是平臺(tái)本身的最大位移）。平臺(tái)最大應(yīng)力出現(xiàn)中間平臺(tái)斜撐位置以下，最大應(yīng)力值為74.40 MPa?？紤]平臺(tái)中下部結(jié)構(gòu)材料為Q235，此最大值小于材料屈服強(qiáng)度，平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全。結(jié)果詳見圖4。

4.2 平臺(tái)穩(wěn)定性

該文根據(jù)垂尾平臺(tái)有限元模型，運(yùn)用NX.NASTRAN對(duì)平臺(tái)進(jìn)行線性屈曲分析。在考慮重力的影響下，仿真計(jì)算時(shí)，施加的載荷=重力+k×設(shè)計(jì)載荷，需要調(diào)整k的值進(jìn)行迭代計(jì)算，最終使計(jì)算得到的屈曲系數(shù)約等于1，這時(shí)對(duì)應(yīng)的k就是真實(shí)的屈曲系數(shù)。計(jì)算得到平臺(tái)的第一階屈曲系數(shù)為9.44，即在施加載荷達(dá)到設(shè)計(jì)載荷9.44倍的時(shí)候、并加上平臺(tái)自身的重量的情況下，平臺(tái)才可能失穩(wěn)（如圖5所示）。

5 結(jié)論

通過對(duì)垂尾工作平臺(tái)整體有限元仿真分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）平臺(tái)最大應(yīng)力出現(xiàn)在二層平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)位置，遠(yuǎn)小于Q235的屈服應(yīng)力，整體強(qiáng)度滿足要求。

（2）垂尾平臺(tái)工作的最大位移，出現(xiàn)在二層懸挑平臺(tái)最右側(cè)位置，最大位移值為50.67 mm，建議采用較6061-T4材料性能更優(yōu)的替代材料，有效降低平臺(tái)位移量。

（3）在設(shè)計(jì)載荷條件下，平臺(tái)穩(wěn)定性滿足要求，可在最大應(yīng)力位置加焊斜撐，增強(qiáng)剛度。

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