作動(dòng)器固定支座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

司超超+凡玉

摘 要：作動(dòng)器固定支座是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重要連接元件之一，是承受和傳遞集中載荷且易發(fā)生疲勞破壞元件，也是飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算和細(xì)節(jié)分析的關(guān)鍵部位。文章通過對(duì)作動(dòng)器固定支座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算，結(jié)果表明：點(diǎn)點(diǎn)式作動(dòng)器安裝結(jié)構(gòu)宜采用雙面連接固定支座結(jié)構(gòu)形式，且固定支座結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：作動(dòng)器；固定支座；飛機(jī)結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 概述

飛行控制系統(tǒng)是飛機(jī)重要的系統(tǒng)之一，飛行員通過飛行控制系統(tǒng)控制飛行各個(gè)操縱面的位置，從而控制飛機(jī)的姿態(tài)[1]。操縱面固定支座主要是用來承受作動(dòng)器的集中載荷，并將其傳遞給翼盒，因此，作動(dòng)器固定支座的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)壽命直接影響作動(dòng)器的操縱性能，乃至飛機(jī)的總體操縱性能。

本文通過對(duì)國外先進(jìn)民用飛機(jī)作動(dòng)器固定支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，結(jié)合某飛機(jī)氣動(dòng)外形和總體布置要求，確定副翼作動(dòng)器固定支座結(jié)構(gòu)形式，再運(yùn)用MSC.Patran/Nastran軟件對(duì)固定支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以期得到最佳固定支座結(jié)構(gòu)方案，最后結(jié)合《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第9冊(cè)》中耳片校核方法。

2 先進(jìn)民機(jī)作動(dòng)器固定支座結(jié)構(gòu)形式

2.1 A320飛機(jī)

A320飛機(jī)副翼作動(dòng)器采用點(diǎn)點(diǎn)式安裝結(jié)構(gòu)，與機(jī)翼后梁連接的固定支座采用“三面連接”結(jié)構(gòu)形式?！叭孢B接”結(jié)構(gòu)形式是指固定支座與機(jī)翼盒段上壁板、機(jī)翼盒段下壁板和機(jī)翼后梁均連接固定，該結(jié)構(gòu)形式簡單、可靠性大、固定支座結(jié)構(gòu)剛度大、盒段受力特性好。

2.2 B787飛機(jī)

B787飛機(jī)副翼作動(dòng)器采用點(diǎn)點(diǎn)式安裝結(jié)構(gòu)，與機(jī)翼后梁連接的固定支座采用“雙面連接”結(jié)構(gòu)形式?！半p面連接”結(jié)構(gòu)形式是指固定支座與機(jī)翼盒段下壁板和機(jī)翼后梁兩面連接固定。較之“三面連接”結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式簡單、重量輕、傳力直接、對(duì)后緣艙結(jié)構(gòu)布局和系統(tǒng)管路電纜布局有利等優(yōu)點(diǎn)。

3 固定支座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和耳片校核

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

升降舵作動(dòng)器安裝結(jié)構(gòu)形式是點(diǎn)點(diǎn)式，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)安全性和可靠性考慮，作動(dòng)器固定支座初始設(shè)計(jì)時(shí)擬定“三面連接”結(jié)構(gòu)形式（如圖1所示），材料選用15-5PH不銹鋼。操縱點(diǎn)各向極限載荷分別為：Fx=19400N，F(xiàn)y=0N，F(xiàn)z=20140N。然后運(yùn)用MSC.Patran和MSC.Nastran軟件對(duì)固定支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，計(jì)算結(jié)果見圖1。

由圖1可以看出固定支座最大應(yīng)力在與后梁連接上面三個(gè)螺栓處，且應(yīng)力最大值為38.2MPa，而固定支座所選用的材料15-5PH的拉伸極限強(qiáng)度σb為1062MPa，安全裕度MS值為26.8。固定支座最小應(yīng)力在后梁下緣條連接區(qū)和下壁板連接區(qū)，且最小應(yīng)力值約為0.03MPa。

顯而易見，固定支座采用“三面連接”結(jié)構(gòu)對(duì)于結(jié)構(gòu)重量是不利的，固定支座高應(yīng)力區(qū)位于與上壁板和后梁上緣條連接區(qū)，固定支座與后梁下緣條和下壁板連接區(qū)應(yīng)力水平較低，可以忽略不計(jì)。再者，固定支座所選用的材料15-5PH也是不合理的，應(yīng)更換7050-T7451鋁合金材料。其次，結(jié)構(gòu)參數(shù)也應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)參以實(shí)現(xiàn)在滿足結(jié)構(gòu)完整性和功能完整性前提下輕重量目標(biāo)。因此，在綜合考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和輕重量前提下，將固定支座下半部分直接優(yōu)化除去，僅采用與盒段上壁板和后梁上緣條區(qū)域連接，即固定支座選用“雙面連接”結(jié)構(gòu)形式（如圖2所示），將材料由15-5PH更換為7050-T7451，同時(shí)對(duì)固定支座結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)參，然后運(yùn)用MSC.Patran/MSC.Nastran軟件對(duì)優(yōu)化后的固定支座進(jìn)行強(qiáng)度校核（如圖2所示）。結(jié)果表明：固定支座最大應(yīng)力為193MPa，安全裕度MS值為1.64，“雙面連接”固定支座完全滿足強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)減重71%，且為后緣艙內(nèi)液壓管路和電纜等布局提供便利條件。

3.2 耳片校核

耳片結(jié)構(gòu)形式雖很簡單，但耳孔周圍的應(yīng)力狀態(tài)卻很復(fù)雜。該連接形式是通過銷栓給耳片傳遞載荷，隨著載荷的增加，耳孔和銷栓的接觸由線接觸變化到半個(gè)銷栓面接觸，也就是說，螺栓和耳孔內(nèi)表面的傳力過程是個(gè)接觸應(yīng)力問題，耳片受載時(shí)，其頭部處于拉伸、彎曲和剪切復(fù)合受力狀態(tài)之下。由于加載時(shí)銷栓本身會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，使得耳孔內(nèi)壁的應(yīng)力分布沿耳片厚度方向發(fā)生變化。而且銷栓彎曲強(qiáng)度的強(qiáng)弱對(duì)耳片的受載影響很大[2]。所以耳片強(qiáng)度的精確計(jì)算比較復(fù)雜，一般采用工程簡化方法。按照《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第九冊(cè)32.4節(jié)方法對(duì)固定支座耳片進(jìn)行強(qiáng)度分析，并且在耳片強(qiáng)度分析時(shí)考慮了1.15的接頭系數(shù)，耳片參數(shù)含義見圖3所示。

斜耳片的安全裕度MS為

式中：Pf？琢為斜耳片在受載荷角度？琢?xí)r的極限載荷；

Pult為耳片承受的外加斜向載荷拉伸設(shè)計(jì)極限載荷。

式中：Pf0為耳片在受載荷角度0°時(shí)的極限載荷；

Kcon1和Kcon2為折算系數(shù)，與耳片材料、b/d、？琢等有關(guān)，可以從《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第九冊(cè)直接查得。

式中：K0為耳片的軸向拉伸載荷時(shí)的效率系數(shù)；

F為沿孔中心的凈面積，單耳F=（b-d）t，雙耳F=2（b-d）t。

固定支座耳片的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。借助《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第九冊(cè)32.4節(jié)參數(shù)圖查得所需折算系數(shù)，利用上述耳片安全裕度計(jì)算方法和公式可以求得固定支座耳片的安全裕度為2.04，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

表1 固定支座的結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位：mm）

4 結(jié)束語

（1）對(duì)于“點(diǎn)點(diǎn)式”作動(dòng)器安裝結(jié)構(gòu)，固定支座宜采用“雙面連接”結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式具有結(jié)構(gòu)簡單、輕重量、宜裝配等特點(diǎn)。

（2）通過MSC.Patran/Nastran軟件分析和理論計(jì)算，固定支座結(jié)構(gòu)安全裕度大于0.15，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，而且實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重71%。

參考文獻(xiàn)

[1]陶梅貞.現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計(jì) [M]. 西安： 西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[2]中國航空研究院.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.