新研機(jī)載設(shè)備的輕量化設(shè)計(jì)方法

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航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089

隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，飛機(jī)系統(tǒng)綜合化、模塊化程度越來(lái)越高，機(jī)載設(shè)備的功能也越來(lái)越強(qiáng)大，綜合性能越來(lái)越高，新研機(jī)載設(shè)備的輕量化已經(jīng)是發(fā)展所趨[1～4]。機(jī)載設(shè)備的輕量化設(shè)計(jì)從某種意義上來(lái)說(shuō)是一種“合理”設(shè)計(jì)，即在當(dāng)前技術(shù)水平和技術(shù)條件下，機(jī)載設(shè)備既能滿足特定的功能、性能要求，又要重量（質(zhì)量）最輕，動(dòng)/靜強(qiáng)度余度合理，同時(shí)也能夠滿足結(jié)構(gòu)、接口、電磁防護(hù)和元器件等相關(guān)要求下的一種綜合權(quán)衡結(jié)果[5～7]。

機(jī)載設(shè)備的輕量化設(shè)計(jì)需要分析功能、性能及相關(guān)技術(shù)要求，根據(jù)飛機(jī)系統(tǒng)方案及冗余度決定機(jī)載設(shè)備的功能和性能要求，這些都直接影響機(jī)載設(shè)備的重量。其次，從方案設(shè)計(jì)入手，通過(guò)方案迭代、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、材料選擇、工藝選擇等盡可能優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以進(jìn)一步減輕機(jī)載設(shè)備重量，達(dá)到重量最優(yōu)。

1 合理的功能設(shè)置

機(jī)載設(shè)備不同于普通產(chǎn)品，其技術(shù)要求非常多，除基本的功能、性能、接口、重量、外形、電磁兼容和散熱等要求外，還有自然環(huán)境、機(jī)械環(huán)境、可靠性/維修性/測(cè)試性/保障性/安全性、標(biāo)準(zhǔn)化等通用質(zhì)量特性要求，這些要求中的每一項(xiàng)都可能會(huì)影響到機(jī)載設(shè)備的重量，尤其是功能性要求，每增加一項(xiàng)，就會(huì)增加一份重量。同時(shí)，機(jī)載設(shè)備的功能要求與飛機(jī)系統(tǒng)功能設(shè)置息息相關(guān)，有些要求通過(guò)機(jī)載設(shè)備實(shí)現(xiàn)重量最優(yōu)，而有些功能通過(guò)飛機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重量最優(yōu)，從輕量化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，新機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，一是盡量從全系統(tǒng)甚至全機(jī)的角度，考慮機(jī)載設(shè)備功能設(shè)置的合理性，使之既實(shí)現(xiàn)功能，又使重量最優(yōu)。二是對(duì)相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行合理約束和優(yōu)化，盡可能不產(chǎn)生功能過(guò)多、性能過(guò)高、冗余過(guò)度，降低新研機(jī)載設(shè)備的重量。

如某閥門類設(shè)備，經(jīng)飛機(jī)系統(tǒng)功能的合理性分析后取消了閥門的調(diào)壓功能，如圖1所示，結(jié)構(gòu)形式由機(jī)械閘板更改為電磁閥控制，單個(gè)設(shè)備的重量由1.5kg減為1.0kg，減重幅度達(dá)到33.33%。

圖1 某閥門的功能變化引起的結(jié)構(gòu)變化Fig.1 The effect of the valvular function changing on the technical scheme

除基本功能外，新研機(jī)載設(shè)備的動(dòng)/靜強(qiáng)度要求、通用質(zhì)量特性要求、設(shè)備功能余度等都可以較大幅度地影響機(jī)載設(shè)備重量，對(duì)這些要求進(jìn)行分析，盡可能給出合適合理的要求，實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備的輕量化設(shè)計(jì)。

2 輕量化設(shè)計(jì)

技術(shù)方案對(duì)新研機(jī)載設(shè)備重量的影響是非常重要的，方案設(shè)計(jì)時(shí)，首先是選用合理的方案，通過(guò)方案不斷優(yōu)化、采用一體化設(shè)計(jì)和新專利等實(shí)現(xiàn)輕量化，同時(shí)也可以通過(guò)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、材料選擇、工藝選擇等來(lái)降低設(shè)備重量。

2.1 方案優(yōu)化

（1）合理的方案

在方案階段，通過(guò)需求捕獲分析、關(guān)鍵部件識(shí)別，進(jìn)行技術(shù)方案的優(yōu)化，選取重量最優(yōu)的技術(shù)方案。某散熱器通過(guò)需求分析后，其技術(shù)重要度前三位依次是腐蝕防護(hù)與控制、重量控制、感溫閥的穩(wěn)定性，參考國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品相關(guān)設(shè)計(jì)要求和廠內(nèi)其他型號(hào)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，收集概念碎片，形成產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)識(shí)別表及多方案描述表，見(jiàn)表1、表2。方案2和方案3重量均為4.1kg，綜合考慮技術(shù)穩(wěn)定性、技術(shù)成熟度和成本，選用了重量最優(yōu)的技術(shù)方案3。

表1 關(guān)鍵技術(shù)識(shí)別Table1 Identify the critical technical

表2 技術(shù)方案優(yōu)化Table2 The technology scheme optimization

（2）一體化設(shè)計(jì)和新專利的采用

在某閥門類零件（如圖2所示）設(shè)計(jì)時(shí)，從技術(shù)上說(shuō)，疊加式結(jié)構(gòu)或一體式結(jié)構(gòu)均可以滿足要求。在疊加式結(jié)構(gòu)中，切斷閥和剎車閥分別以板式連接，安裝在布局好流道孔的集成塊上；而在一體式結(jié)構(gòu)中，切斷閥和剎車伺服閥共用一個(gè)閥體。方案設(shè)計(jì)時(shí)，電磁鐵采用新專利技術(shù)，如圖3所示，將一維運(yùn)動(dòng)變成二維運(yùn)動(dòng)，利用液壓力在閥芯上實(shí)現(xiàn)功率放大，減小閥芯的驅(qū)動(dòng)力、直徑，得以選用密度更小的材料，減輕電磁鐵的重量、減輕閥芯的重量，最終實(shí)現(xiàn)了功能和性能，整個(gè)設(shè)備重量也從疊加式結(jié)構(gòu)的1.06kg降至一體式結(jié)構(gòu)的0.49kg，減重幅度達(dá)到53.77%。

圖2 某閥類零件設(shè)計(jì)Fig.2 The design of the valvular scheme

一直以來(lái)，電流互感器和接線柱都是單獨(dú)設(shè)計(jì)、制造，如圖4（a）、圖4（b）所示，造成的結(jié)果是自身重量大，匯流條長(zhǎng)度變長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量相應(yīng)增加。在某電氣設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，采用了互感器和接線柱的集成方案，將改進(jìn)的電流互感器置于接線柱里面，不僅減輕了整體重量，而且使得某新研機(jī)載設(shè)備的體積明顯減小，如圖4（c）所示。

圖3 電磁鐵Fig.3 The electromagnet

圖4 某電流互感器設(shè)計(jì)Fig.4 The design of the contactor scheme

（3）技術(shù)方案的不斷優(yōu)化

某機(jī)載設(shè)備的散熱器重量主要受總體尺寸、散熱器框架厚度、散熱器翅片與肋片的布置等三方面的影響。方案設(shè)計(jì)時(shí)，先后經(jīng)過(guò)4輪優(yōu)化，散熱翅片從有到無(wú)再到有；散熱器厚度從80mm到68.5mm；肋片從22片到15片，并加開(kāi)減重槽等，如圖5、圖6所示，散熱器組件重量見(jiàn)表3。經(jīng)過(guò)強(qiáng)度仿真、熱分析等，和第1輪方案相比，第4輪優(yōu)化結(jié)果減重效果達(dá)1.3kg，減重幅度46.43%。

圖5 優(yōu)化后的第1輪方案Fig.5 The scheme after the first optimizing

圖6 第2輪到第4輪優(yōu)化的結(jié)構(gòu)Fig.6 The scheme after the second to fourth optimizing

表3 散熱器組件重量Table3 Radiator weight

2.2 強(qiáng)度設(shè)計(jì)

機(jī)載設(shè)備的強(qiáng)度要求除要滿足靜強(qiáng)度要求外，還要滿足振動(dòng)、功能沖擊、墜撞安全、耐久性、加速度等動(dòng)強(qiáng)度要求。新研機(jī)載設(shè)備的強(qiáng)度設(shè)計(jì)不僅是校核設(shè)備是否滿足強(qiáng)度要求，也是設(shè)備結(jié)構(gòu)材料選擇、強(qiáng)度冗余度分析和進(jìn)一步減重的重要依據(jù)[2]。

從強(qiáng)度設(shè)計(jì)來(lái)看，主要是強(qiáng)度和剛度指標(biāo)的合理選取，相關(guān)規(guī)范中要求的安全裕度Ms＞0即可，設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行靜/動(dòng)強(qiáng)度分析，根據(jù)強(qiáng)度裕度，結(jié)合制造工藝要求，進(jìn)行進(jìn)一步的減重設(shè)計(jì)。強(qiáng)度裕度大是造成重量偏重的重要原因。為此，可從以下途徑嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)重量：（1）建立細(xì)節(jié)有限元模型，開(kāi)展參數(shù)優(yōu)化；（2）結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化；（3）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿真分析；（4）嚴(yán)格控制各零部件的強(qiáng)度裕度；（5）在設(shè)計(jì)中合理地選擇緊固件、膠、漆等，滿足輕量化設(shè)計(jì)要求。

某設(shè)備的渦輪殼體設(shè)計(jì)時(shí)，因渦輪入口壓力相對(duì)較高，渦輪出口壓力相對(duì)較低?？紤]最小重量設(shè)計(jì)原則，適當(dāng)減小了低壓區(qū)的殼體厚度，零件重量由0.856kg減至0.847kg，仍然實(shí)現(xiàn)了減重，使殼體結(jié)構(gòu)更趨合理，如圖7所示。

圖7 渦輪殼體設(shè)計(jì)Fig.7 The design of the turbine casing

某設(shè)備軸承座設(shè)計(jì)時(shí)，軸承座起到連接兩端殼體與支撐軸承的作用，根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，通過(guò)減小加強(qiáng)筋的厚度，零件重量由0.895kg減至0.818kg，實(shí)現(xiàn)了減重，如圖8所示。

圖8 軸承座減重設(shè)計(jì)Fig.8 The design of the bearing seat weight deduction

2.3 材料選擇

材料選擇的輕量化設(shè)計(jì)依據(jù)是強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，依據(jù)計(jì)算結(jié)果，盡量選取比強(qiáng)度和比剛度高、抗疲勞特性好的材料，對(duì)強(qiáng)度富余的結(jié)構(gòu)形式選擇密度更小的材料，如閥殼體可以采用復(fù)合材料，閥板可以采用非金屬材料等。

以閥門類零件為例，在零件設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)零件進(jìn)行區(qū)分設(shè)計(jì)：不受力零件、靜載荷零件和耐磨損零件，對(duì)于不受力零件，在設(shè)計(jì)時(shí)，選擇強(qiáng)度較小的鋁合計(jì)材料，如閥體、盒蓋、保護(hù)罩、連接板；對(duì)于靜載荷零件，在設(shè)計(jì)時(shí)，選擇強(qiáng)度較高的鋼類材料，如閥體、閥芯。對(duì)耐磨損零件，在設(shè)計(jì)時(shí)，選擇耐磨鋼材料。對(duì)于強(qiáng)度裕度特別大的零件，甚至可以選擇一些非金屬材料。

2.4 工藝選擇

工藝不僅影響加工方式和成本，也會(huì)影響到設(shè)備重量。選擇合理的工藝，不僅實(shí)現(xiàn)加工方便，也可以達(dá)到減重的目的。

以某設(shè)備的管路補(bǔ)償器與引氣管路一體化設(shè)計(jì)為例，如圖9所示。要實(shí)現(xiàn)引氣管路軸向和徑向的位移補(bǔ)償，需要三個(gè)補(bǔ)償器原件，將補(bǔ)償器原件與管路一體化焊接，減少了成品與管路的接頭，達(dá)到減重的目的。另外，在某位置開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)中，通過(guò)控制焊接工藝，減少了堆焊重量的增加。

圖9 管路補(bǔ)償器與引氣管路一體化工藝選擇Fig.9 The integrative design of the pipeline and its compensator

3 結(jié)束語(yǔ)

持續(xù)輕量化是機(jī)載設(shè)備的研究目標(biāo)之一，這不僅是設(shè)備本身的要求，也是飛機(jī)技術(shù)進(jìn)步的要求，輕量化設(shè)計(jì)要從技術(shù)要求著手，從機(jī)載設(shè)備的方案設(shè)計(jì)入手，通過(guò)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析、材料選擇、工藝選擇等來(lái)減少重量，實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備的最優(yōu)重量設(shè)計(jì)。