民用飛機電子設備標準托架強度分析

陳峰

【摘 要】民用飛機電子設備安裝在托架上，為保證設備在各種載荷狀況下的正常工作，托架需要具備一定的承載能力。本文對某型號民用飛機的標準設備托架進行了強度分析，介紹了有限元建模過程和分析方法，為其他設備托架的結(jié)構(gòu)設計和強度分析提供了參考。

【關鍵詞】民用飛機；設備托架；有限元；強度分析

0 引言

設備托架是由相互依存的零件和緊固件組成的支承結(jié)構(gòu)組件，用于設備的安裝固定。民用飛機實現(xiàn)電子設備標準化，其外形尺寸，前端鎖勾，后端連接器，重量，熱載荷等級等符合ARINC600[1]標準，可迅速拆卸和更換。為實現(xiàn)ARINC600電子設備的固定安裝、快速插拔和集中維護，同時實現(xiàn)在設備架上規(guī)定位置的互換性，設計了一系列標準設備托架。如圖1所示，ARINC600自然冷托架主要由導向件、安裝板、墊板和加強片組成。本文以3MCU自然風冷標準托架為例，采用有限元分析方法[2]對標準托架進行強度分析，評估結(jié)構(gòu)的安全性。

1 有限元分析

標準托架中零件的材料主要選用7075-T62鋁合金和15-5PH-H925不銹鋼，各零件之間采用鉚釘連接。標準托架底部與結(jié)構(gòu)橫梁分別通過4個螺栓連接，鎖緊器鉸鏈座與托架底部分別通過2個螺栓連接，橫梁兩端約束三個自由度的平動。

1.1 工況

標準支架上安裝電子設備，如圖3所示。根據(jù)CCAR-25（運輸類飛機適航標準）中有關設備架適用的條款規(guī)定，托架需在使用限制載荷和極限載荷（限制載荷乘以規(guī)定的安全系數(shù)）下滿足強度要求。此外為保證設備在應急著陸情況下仍能正常工作，托架還需要滿足CCAR-25中561條的要求。根據(jù)飛機各占位坐標限制過載系數(shù)的規(guī)定以及機載設備沖擊和墜撞安全環(huán)境條件及試驗程序，并考慮到標準托架在飛機設備架上的安裝位置、安裝方向不固定，故各方向過載取最大值，最終確定標準托架的計算工況為：向前9g（應急著陸）、向后9g（應急著陸）、側(cè)向9g（墜撞）、向上9g（墜撞）、向下11.2g（極限過載包線），方向如圖3所示。

1.2 載荷

托架的載荷主要來自其安裝的機箱設備，工況向前時，載荷全部由鎖緊器的緊定鉤承受，工況向上時，載荷全部由后部連接和緊定鉤承受，側(cè)向工況時，設備所產(chǎn)生的力由后部連接和緊定鉤承受，向后工況時，設備所產(chǎn)生的力全部由安裝板承受，向下工況時，設備所產(chǎn)生的力由導軌板承受。

根據(jù)ARINC600規(guī)定，3MCU標準托架允許的最大機箱設備重量為7.5kg。本文重心選取位置為設備形心處，所以在機箱重心位置施加向前、向上、側(cè)向、向后極限載荷F=661.5N；向下工況時，按照公式P=，計算導向件底板壓力載荷為0.035MPa，S為機箱與托架底部接觸的有效面積。

1.3 有限元建模

采用有限元分析方法對標準托架進行有限元建模，其中導向件、墊板、安裝板、鉸鏈座采用殼單元，厚度為零件實際厚度；螺栓連接處用REB2、CBAR剛性單元；鉚釘用CWELD單元進行模擬，直徑和材料按實際鉚釘材料定義；機箱用一組剛性梁CBAR 模擬；機箱與托架后部連接器連接處采用彈簧單元CELAS2模擬。

在向前工況下，在托架前部邊緣建立一組垂直彈簧模擬機箱對托架的垂向壓力，鎖緊器中的螺桿、環(huán)扣、旋鈕組件用CBAR單元進行模擬，如圖4所示。

2 應力結(jié)果及強度分析

采用Hypermesh軟件進行有限元計算，得到5個工況下的零件應力。本文通過對比零件應力和材料許用值，計算得到結(jié)構(gòu)靜強度的裕度，評估托架的承載能力和安全性。零件安全裕度計算公式[3]如下：

式中：σtu為零件的材料許用值；σmax為零件最大Mises應力。

根據(jù)5個載荷工況下托架的應力云圖可知，向前、向后、向上、向下4個工況的最大應力位于導向件底板前部邊緣上，其中向前工況下零件應力最大，如圖7所示，應力值為265Mpa，導向件材料為7075-T62，材料許用值為537MPa，安全裕度為：

3 結(jié)論

本文對民用飛機標準設備托架進行了有限元建模分析，得到靜強度計算結(jié)果，分析結(jié)果表明標準設備托架滿足強度要求。

民用飛機中ARINC600電子設備需要快速插拔和集中維護，標準托架的設計不但可以很好的滿足這些要求，還實現(xiàn)了在設備架上規(guī)定位置的互換性。但同時其載荷環(huán)境也相對比較復雜。本文通過對民用飛機標準設備托架進行靜強度分析，證明了標準設備托架安全性，可以為其他類型的飛機電子設備安裝結(jié)構(gòu)的強度分析提供參考。

【參考文獻】

[1]AIR TRANSPORT AVIONICS EQUIPMENT INTERFACES：ARINC 600-19-2011[S].

[2]王勖成，邵敏編著.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].清華大學出版社， 1997.

[3]飛機設計手冊·9·載荷、強度和剛度[M].航空工業(yè)出版社，2001.

[責任編輯：朱麗娜]