光電吊艙掛飛強(qiáng)度計算研究

高騰龍 唐寧 蘇秀中

摘要：光電吊艙常安裝于飛機(jī)腹部或機(jī)翼下方，用于開展導(dǎo)航和搜索瞄準(zhǔn)等工作。針對某型光電吊艙，通過有限元軟件建立其高精度復(fù)雜模型并施加等同于真實飛行環(huán)境下的載荷條件及邊界條件，選取臨近飛行包線的嚴(yán)重掛飛工況對吊艙整體及關(guān)鍵承力部位進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，并對主承力部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。計算結(jié)果表明，吊艙整體在慣性載荷和氣動載荷共同作用下結(jié)構(gòu)傳力合理，關(guān)鍵部件的剩余強(qiáng)度系數(shù)均大于1.5倍的安全系數(shù)，能夠滿足強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：吊艙；有限元分析；慣性載荷；氣動載荷；強(qiáng)度校核

中圖分類號：V243文獻(xiàn)標(biāo)識碼： ADOI： 10.19452/j.issn1007-5453.2020.04.006

近年來，隨著國內(nèi)航空航天、國防工業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，諸多新型武器裝備開始投入預(yù)研和型號試制工作。機(jī)載電子吊艙作為空中平臺可以攜帶不同功能的電子設(shè)備，以實現(xiàn)作戰(zhàn)、偵察、電子干擾等目的，光電吊艙就是其中一種[1-2]。

光電吊艙常安裝于飛機(jī)腹部或者機(jī)翼的下方，用來開展導(dǎo)航和搜索瞄準(zhǔn)等工作[3-4]。光電吊艙在掛飛使用階段，面臨著與飛機(jī)相同的外部環(huán)境，尤其在飛機(jī)進(jìn)行大幅度機(jī)動時，吊艙承受著較大的氣動載荷和慣性載荷，因此吊艙結(jié)構(gòu)必須具備足夠的強(qiáng)度以保證飛機(jī)的飛行安全和電子設(shè)備的正常使用。

吊艙的強(qiáng)度驗證通常經(jīng)過強(qiáng)度計算和靜力試驗完成，選取臨近飛行包線的嚴(yán)重飛行工況對吊艙強(qiáng)度進(jìn)行計算并形成靜力試驗的輸入載荷，進(jìn)一步通過地面靜力試驗對吊艙強(qiáng)度進(jìn)行驗證，飛行試驗過程中一般選取部分風(fēng)險較小工況對吊艙進(jìn)行掛飛驗證。強(qiáng)度計算的結(jié)果對靜力試驗和后續(xù)的飛行試驗都具有重要的參考價值[5]。通常對于復(fù)雜的吊艙結(jié)構(gòu)，為減少計算量，使用一維梁桿單元對加強(qiáng)筋條進(jìn)行簡化[6]，同時為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確度，需要模擬吊艙與嚴(yán)重飛行工況相同的氣動載荷、慣性載荷以及約束等邊界條件[7]。

本文針對某型光電吊艙結(jié)構(gòu)，采用CATIA和Hypermesh軟件建立吊艙高精度的有限元模型，通過ABAQUS對模型施加與嚴(yán)重工況中等效的載荷和邊界條件，對吊艙模型進(jìn)行計算分析，得到結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力應(yīng)變分布和關(guān)鍵承力部件的強(qiáng)度特性。

1吊艙簡介

光電吊艙整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主體結(jié)構(gòu)可以分為頭艙、電子艙和尾艙三部分，頭艙與電子艙通過高強(qiáng)度螺栓連接，尾艙與電子艙用鋼結(jié)構(gòu)卡環(huán)連接。電子艙艙體上方布置有兩對標(biāo)準(zhǔn)的雙吊耳結(jié)構(gòu)，吊耳構(gòu)型及尺寸符合GJB1C規(guī)定[8]。本文使用掛距較小的雙吊耳進(jìn)行強(qiáng)度計算。

吊艙結(jié)構(gòu)的主要材料包括藍(lán)寶石、鈦合金TC4、7050-T7451鋁合金以及30CrMnSiA。具體的材料屬性及分布情況見表1和圖2，其中ρ為材料密度。

2有限元模型建立

對吊艙結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，在ABAQUS軟件中建立吊艙整體的有限元模型。通過添加約束、接觸命令等效各組件間的連接情況，施加載荷邊界條件模擬吊艙在飛行中所受的氣動載荷和慣性載荷。模型的總體坐標(biāo)系以頭艙前罩頂點為原點，Y軸沿逆航向為正，Z軸垂直向上為正方向，X軸符合右手坐標(biāo)系。

2.1模型簡化

吊艙通過電子艙上方的吊耳與防止擺動器結(jié)構(gòu)與飛機(jī)掛架連接，主承力結(jié)構(gòu)主要為電子艙的上下大梁及4個橫框，前后兩側(cè)的橫框分別與頭艙和尾艙相連接，上下大梁及橫框模型如圖3所示。

考慮到吊艙部件的結(jié)構(gòu)及受力特性，除吊耳結(jié)構(gòu)模型為實體單元，其余包括吊艙大梁、壁板等外蒙皮及橫框腹板結(jié)構(gòu)均簡化為殼單元。為保證模型精度，梁及腹板等結(jié)構(gòu)的筋條厚度根據(jù)CATIA數(shù)模測量得到，并將該屬性賦予對應(yīng)位置的殼單元。吊艙中的電子設(shè)備等效為質(zhì)量點，通過MPC約束與設(shè)備地板進(jìn)行連接。小型電子元器件、環(huán)控管路及部分線纜等為非主承力結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)重量（質(zhì)量）占比很小，因此在建模過程中不予考慮。

表2給出了吊艙主要部件的航向質(zhì)心坐標(biāo)以及相應(yīng)有限元模型的航向質(zhì)心情況?？梢钥吹剑O(shè)計質(zhì)心與模型質(zhì)心能夠較好地吻合，進(jìn)一步驗證了有限元模型簡化的合理性。另外，吊艙的法向質(zhì)心和側(cè)向質(zhì)心均位于吊艙中軸線處，因此不再進(jìn)行討論。

2.2邊界條件

吊艙通過吊耳和防止擺動器與飛機(jī)掛架相連，吊耳與掛架掛鉤的連接形式如圖4所示。在有限元模型中通過殼單元建立掛鉤的簡化模型，添加吊耳與掛鉤的接觸定義，用來模型吊耳及掛鉤處的受力情況。

防止擺動器通過其頂桿結(jié)構(gòu)連接飛機(jī)的掛架與吊艙上蒙皮部分，用于抑制吊艙的側(cè)向擺動趨勢，其連接示意圖如圖5所示。在有限元模型中定義防止擺動器與吊艙區(qū)域的接觸形式，并在防止擺動器上施加500N預(yù)緊力模擬吊艙接觸區(qū)域的真實受力情況。

2.3載荷條件

考慮到光電吊艙的通用性，選取某型戰(zhàn)斗機(jī)作為吊艙的掛飛平臺。本文選取兩種較為嚴(yán)重的組合工況，綜合其慣性載荷及氣動載荷對吊艙進(jìn)行計算分析，工況的高度、速度和過載見表3。其中，由于馬赫數(shù)一定時飛機(jī)飛行高度越低其航向動壓越大，吊艙的受載情況則更為嚴(yán)重，因此本文選取了高度為0的低空組合工況作為有限元強(qiáng)度計算中的工況1。

吊艙結(jié)構(gòu)的慣性載荷通過添加重力載荷的方式施加，調(diào)整各部件的重力加速度數(shù)值添加與設(shè)計模型等效的慣性載荷。等效重力加速度彌補(bǔ)了部分結(jié)構(gòu)件簡化導(dǎo)致的質(zhì)量變化，加之模型質(zhì)心同設(shè)計模型差異很小，因此能夠保證慣性載荷施加的精度。

3計算結(jié)果分析

在嚴(yán)重載荷工況下對吊艙開展有限元分析計算，計算結(jié)果包括各結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)力應(yīng)變及位移等內(nèi)容，并根據(jù)計算結(jié)果，對吊艙的主承力部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3.1吊艙整體分析

吊艙整體結(jié)構(gòu)在兩種工況下的應(yīng)力云圖和位移云圖分別如圖6和圖7所示。從圖中可以看到，在工況1中由于具有更大的縱向和側(cè)向過載，吊艙的最大等效應(yīng)力和最大位移均高于工況2中數(shù)值。另外，兩工況中的應(yīng)力云圖趨勢相似，吊艙結(jié)構(gòu)中的較大應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在上大梁吊耳附近、側(cè)壁板及橫框處。

3.2強(qiáng)度校核

飛機(jī)在飛行機(jī)動過程中，慣性載荷主要由飛機(jī)掛架經(jīng)吊耳和防止擺動器傳遞給吊艙結(jié)構(gòu)。在吊艙內(nèi)部的應(yīng)力傳遞過程中，上大梁、側(cè)壁板和橫框起主承力作用，平衡氣動載荷及飛機(jī)掛架傳遞的載荷。通過對比兩工況下的各部件的最大等效應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)工況1中各部件應(yīng)力水平均高于工況2，因此通過工況1的計算結(jié)果對吊艙主承力部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。

圖8顯示了工況1下上大梁的應(yīng)力云圖?？梢钥吹缴洗罅旱淖畲蟮刃?yīng)力σmax為131.2MPa，為吊艙整體結(jié)構(gòu)中的最大等效應(yīng)力。由表1可知，上大梁結(jié)構(gòu)材料為7050-T7451鋁合金，其屈服強(qiáng)度σ0.2為441MPa，通過式（3）對上大梁剩余強(qiáng)度系數(shù)η進(jìn)行計算[12]，為3.36。

圖8分別給出了側(cè)壁板和橫框中等效應(yīng)力最大的部分，其中側(cè)壁板最大等效應(yīng)力為65.4MPa，橫框最大等效應(yīng)力為81.1MPa。通過式（3）分別對兩者的剩余強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行計算，分別為6.74和5.44。

4結(jié)論

通過建立吊艙高精度有限元模型，施加等同于嚴(yán)重工況飛行環(huán)境的載荷條件和邊界條件，對吊艙的變形和應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了分析，并對其主要承力部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。計算結(jié)果顯示吊艙整體在慣性載荷和氣動載荷共同作用下結(jié)構(gòu)傳力合理，主承力部件強(qiáng)度系數(shù)均大于1.5倍安全因數(shù)，滿足強(qiáng)度要求。另外，計算結(jié)果可為后續(xù)的靜力試驗及飛行試驗提供依據(jù)，對應(yīng)力水平較高的區(qū)域進(jìn)行重點關(guān)注，確保試驗的準(zhǔn)確性和安全性。

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