民用飛機(jī)吊掛后緣強(qiáng)度分析

冒穎

【摘 要】后緣結(jié)構(gòu)位于吊掛后部，為內(nèi)部系統(tǒng)提供保護(hù)，是全機(jī)氣動(dòng)外形的一部分，改善氣動(dòng)阻力。本文介紹了吊掛后緣強(qiáng)度的分析過(guò)程和方法，對(duì)其關(guān)鍵接頭和子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得出了強(qiáng)度結(jié)論，為類似的飛機(jī)整流結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析，提供了參考。

【關(guān)鍵詞】吊掛后緣；接頭；強(qiáng)度；分析方法

0 引言

后緣作為吊掛組成結(jié)構(gòu)中的一部分，位于吊掛的后端，也介于發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴和機(jī)翼之間。后緣的主要作用是整流維形，并為系統(tǒng)提供通路。后緣有幾種設(shè)計(jì)形式，空客形式的后緣由兩部分組成，固定后緣和活動(dòng)后緣，其固定部分與吊掛盒段相連，活動(dòng)部分與機(jī)翼接頭連接；波音形式的活動(dòng)后緣直接與機(jī)翼連接，不與吊掛盒段連接。本文介紹一種國(guó)產(chǎn)飛機(jī)的吊掛后緣結(jié)構(gòu)，它由前后5個(gè)單雙耳片與飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)連接，本文給出這種后緣結(jié)構(gòu)的接頭強(qiáng)度分析過(guò)程以及其他子結(jié)構(gòu)的安全裕度。

1 有限元模型簡(jiǎn)介

本文采用有限元法對(duì)后緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。采用的前處理軟件為hypermesh，后處理軟件為nastran。本文建立了詳細(xì)的后緣模型進(jìn)行強(qiáng)度分析，框、梁、壁板、蒙皮均采用殼單元來(lái)模擬，連接這些結(jié)構(gòu)間的連接緊固件采用beam-bush-MPC來(lái)模擬，其中beam模擬了緊固件本身的剛度，bush單元模擬了緊固件與連接件之間的擠壓剛度，MPC模擬了連接件與緊固件之間軸向剛度。根據(jù)實(shí)際傳載情況對(duì)接頭耳片進(jìn)行了面內(nèi)約束。后緣有限元模型如圖1所示。

2 載荷概述

根據(jù)條款要求，后緣結(jié)構(gòu)需滿足限制載荷、極限載荷要求。由于后緣結(jié)構(gòu)為整流結(jié)構(gòu)，因此限制載荷由過(guò)載與氣動(dòng)壓力疊加得到，極限載荷除了考慮1.5倍的過(guò)載之外，還需考慮FBO情況引起的動(dòng)態(tài)響應(yīng)載荷。

根據(jù)后緣站位，從全機(jī)載荷包線中初步篩選出嚴(yán)酷工況有二十二個(gè)，加上FBO工況中篩選出來(lái)的二十個(gè)工況，一共需計(jì)算限制、極限工況六十多個(gè)。在nastran卡片中直接寫入載荷卡片是最快捷的方法。過(guò)載用GRAV卡片定義，角加速度用RFORCE卡片定義，壓力分布載荷用PLOAD4卡片定義，格式如圖2所示。

3 靜強(qiáng)度分析

使用nastran軟件對(duì)有限元模型進(jìn)行靜力計(jì)算，得到64個(gè)計(jì)算工況下的后緣結(jié)構(gòu)應(yīng)力和緊固件受力，將零件最大的應(yīng)力與材料許用值對(duì)比，得出零部件的靜強(qiáng)度裕度。從有限元計(jì)算結(jié)果文件中提取緊固件軸力和剪力分別與緊固件的許用值相比，得到緊固件安全裕度，此外還需要對(duì)孔進(jìn)行擠壓強(qiáng)度分析，得到緊固件孔的安全裕度，最終得出整個(gè)后緣結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度分析結(jié)論。由于后緣處于發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴影響區(qū)域，因此需考慮溫度對(duì)材料性能的影響，本文的強(qiáng)度計(jì)算中通過(guò)相應(yīng)的溫度系數(shù)來(lái)考慮。

3.1 接頭校核

后緣是通過(guò)5處接頭連接在機(jī)翼接頭上的，因此接頭是后緣結(jié)構(gòu)最重要的傳力路徑，需重點(diǎn)校核耳片的拉伸強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，孔擠壓強(qiáng)度，銷子的剪切強(qiáng)度等。強(qiáng)度計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)[1]9.8節(jié)耳片分析部分。后緣接頭校核結(jié)論是，極限載荷條件下，最小安全裕度為0.31，滿足強(qiáng)度要求。

3.2 Von Mises應(yīng)力校核

后緣結(jié)構(gòu)采用Von Mises應(yīng)力來(lái)校核，安全裕度計(jì)算公式如下：

M.S.= -1

式中：Ftu為框使用材料的拉伸許用值，σ為零件最大的Von Mises應(yīng)力，直接從有限元模型應(yīng)力云圖中讀取，對(duì)2D 單元選擇以下選項(xiàng)：最大z1，z2，非平均，單元中心。后緣共包含框、梁。蒙皮等主要結(jié)構(gòu)，從有限元模型64個(gè)工況計(jì)算文件中篩選出最大應(yīng)力，得到最小安全裕度0.11。圖2給出應(yīng)力云圖示例。

3.3 屈曲強(qiáng)度校核

蒙皮、框腹板等結(jié)構(gòu)的校核，除了要進(jìn)行Von Mises應(yīng)力校核之外，還需進(jìn)行局部屈曲分析，計(jì)算公式如下：

M.S.=load factor-1

式中：load factor使用NASTRAN 105求解器來(lái)計(jì)算，可直接從結(jié)果文件中讀出。

經(jīng)分析后緣結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)屈曲部位在蒙皮上，屈曲安全裕度為1.33。

3.4 緊固件校核

緊固件校核需考慮剪切破壞、拉伸破壞和釘孔擠壓，計(jì)算過(guò)程如下。

（1）緊固件剪切安全裕度計(jì)算公式如下：

M.S.= -1

式中：Fb為緊固件剪切許用值，Q為緊固件受到的剪力，剪力從有限元計(jì)算結(jié)果中提取BUSH單元力得到。

（2）緊固件拉伸安全裕度計(jì)算公式如下：

M.S.= -1

式中：Ft為緊固件拉伸許用值，T為緊固件受到的拉力，拉力從有限元計(jì)算結(jié)果中提取MPC力得到。

（3）緊固件釘孔擠壓安全裕度計(jì)算公式如下：

σbr=

M.S.= -1

式中：Fbru為材料的許用擠壓強(qiáng)度；σbr為擠壓應(yīng)力；Q為緊固件上的剪力，也是釘孔所受的擠壓載荷；t為板材厚度；D為緊固件直徑。

后緣結(jié)構(gòu)緊固件最危險(xiǎn)情況是剪切失效，最大剪切載荷為18758N，螺栓牌號(hào)為CFBL1001AG6，剪切許用值為23941N，考（下轉(zhuǎn)第146頁(yè)）（上接第149頁(yè)）慮溫度系數(shù)0.97，最小安全裕度為0.24。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)吊掛后緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元建模分析，得到了靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，分析結(jié)果表明后緣結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

后緣結(jié)構(gòu)的載荷環(huán)境比較復(fù)雜，除了考慮一般的過(guò)載，還需要考慮氣動(dòng)分布?jí)毫Φ挠绊?，需要進(jìn)行強(qiáng)度分析來(lái)確保后緣結(jié)構(gòu)的安全性。本文通過(guò)對(duì)后緣結(jié)構(gòu)的載荷、靜強(qiáng)度進(jìn)行分析，可以對(duì)類似的飛機(jī)整流結(jié)構(gòu)分析提供參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]《實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及尺寸設(shè)計(jì)》，航空工業(yè)出版社，2009.

[2]《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)·9·載荷、強(qiáng)度和剛度》，航空工業(yè)出版社，2001.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]