吊艙懸掛結(jié)構(gòu)的傳力分析

朱慶流，黃福清，葉元鵬

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川 成都 610097）

吊艙是指安裝有機(jī)載設(shè)備或武器，并懸掛在機(jī)身或機(jī)翼下的流線型短艙。為了使安裝空間盡量大，其吊艙結(jié)構(gòu)一般做成長筒形薄壁結(jié)構(gòu)，截面有圓形和方形兩種形式。吊艙通過兩組懸掛結(jié)構(gòu)與載機(jī)相連，每組懸掛結(jié)構(gòu)一般由一個(gè)吊耳、兩個(gè)止擺區(qū)和艙內(nèi)連接結(jié)構(gòu)組成，見圖1。載機(jī)對吊艙的驅(qū)動(dòng)載荷全部通過懸掛結(jié)構(gòu)傳遞到吊艙其他部分，因此，懸掛結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的載荷最大，需要考慮其傳力效率并進(jìn)行局部強(qiáng)度校核。

吊艙的吊耳位置處一般設(shè)置一個(gè)加強(qiáng)框，將整個(gè)截面加強(qiáng)成一個(gè)整體，使整個(gè)吊艙的四周一起傳力。有時(shí)由于設(shè)備布局的原因，不能在吊耳位置設(shè)置加強(qiáng)框，只能將吊耳布置在相鄰加強(qiáng)框之間的梁上。這時(shí)，與吊耳連接的位置就不能直接將力傳遞到整個(gè)艙的截面，此處應(yīng)力就很集中，需要做加強(qiáng)結(jié)構(gòu)減小應(yīng)力集中并將載荷有效地傳遞到整個(gè)吊艙。

本文將結(jié)合工程實(shí)際，以某型吊艙為原型設(shè)計(jì)兩類懸掛結(jié)構(gòu)方案（吊耳處有或無加強(qiáng)框），分析其傳力路徑，并運(yùn)用ABAQUS有限元仿真軟件對模型進(jìn)行分析，通過各自計(jì)算出的位移、應(yīng)力和固有頻率的比較，找出各方案的特點(diǎn)和應(yīng)用注意事項(xiàng)。

1 吊耳處有加強(qiáng)框的布置方案

吊艙結(jié)構(gòu)形式為梁式，外形尺寸為4700mm×475mm×450mm，吊艙壁厚3mm，吊耳間距762mm，重量為70kg，見圖2。外載荷等效為吊艙的慣性載荷，加速度分別為：豎直方向5g，航向3g，側(cè)向2g。

圖1 懸掛結(jié)構(gòu)的組成

圖2 吊艙的外形和懸掛位置

艙內(nèi)懸掛結(jié)構(gòu)布置加強(qiáng)框，框?qū)⒄麄€(gè)吊艙截面加強(qiáng)成一個(gè)整體，使整個(gè)吊艙一起傳力?？蚋拱甯叨?0mm，翼緣寬度30mm，厚度3mm，見圖3。

由于等截面加強(qiáng)框?yàn)閷ΨQ結(jié)構(gòu)，載荷在吊耳位置為非對稱，所以在框頂?shù)醵幖虞d豎向載荷時(shí)，頂部中心位置的彎矩最大，底部彎矩最小。所以，考慮將加強(qiáng)框做成變截面結(jié)構(gòu)，頂部腹板變高，底部腹板邊矮，并挖槽減重，見圖4。

在豎向力作用于隔框的情況下，沿力的作用方向安裝撐桿是獲得較輕結(jié)構(gòu)的有效結(jié)構(gòu)措施，見圖5。這時(shí)，力作用處的最大彎矩大約減少50%。撐桿不需要消耗很多重量，因?yàn)樗窃谑芾ɑ蛘呤軌海顟B(tài)下工作的。

圖3 等截面框

圖4 變截面框

為了驗(yàn)證框的加強(qiáng)作用，分別對三種加強(qiáng)框的結(jié)構(gòu)用有限元法建模和計(jì)算，并與無框的情況下進(jìn)行比較。無框時(shí)分別考慮無加強(qiáng)的點(diǎn)接觸、僅縱向長梁和僅橫向加強(qiáng)短梁。應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果分布見圖6～13，應(yīng)力、位移和一階模態(tài)固有頻率值見表1。

圖5 帶支撐桿的框

圖6 無框時(shí)應(yīng)力分布

圖7 無框時(shí)位移分布

圖8 僅縱向長梁時(shí)應(yīng)力分布

圖9 僅縱向長梁時(shí)位移分布

圖10 僅橫向短梁時(shí)應(yīng)力分布

圖11 僅橫向短梁時(shí)位移分布

圖12 等截面框時(shí)應(yīng)力分布

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出，在沒有框的情況下，最大應(yīng)力（555MPa）和最大位移（38mm）都很大，一階模態(tài)固有頻率很低（4Hz），驗(yàn)證了吊耳處的載荷不能有效地傳遞給整個(gè)吊艙，結(jié)構(gòu)不合理。設(shè)置等截面加強(qiáng)框后，最大應(yīng)力（206MPa）和位移（2.8mm）減小很明顯，一階模態(tài)固有頻率變高（20Hz），體現(xiàn)了加強(qiáng)框的作用。變截面框在能夠達(dá)到效果的同時(shí)能減少框的重量，帶支撐桿的框在應(yīng)力方面減少比較明顯，在有條件的情況下盡量使用此結(jié)構(gòu)。

2 吊耳處無加強(qiáng)框的方案

圖13 等截面框時(shí)位移分布

圖14 無加強(qiáng)筋時(shí)應(yīng)力分布

表1 吊耳位置有框時(shí)計(jì)算結(jié)果

對于吊耳位置沒有設(shè)置框的情況下（吊耳與臨近的加強(qiáng)框間距150mm），外形與施加載荷與上述有框的方案相同。設(shè)置四種加強(qiáng)方案，分別用有限元法建立模型并計(jì)算，應(yīng)力分布見圖14～17，應(yīng)力、位移和一階模態(tài)固有頻率值見表2。

圖15 橫向加筋時(shí)應(yīng)力分布

圖16 縱向加筋時(shí)應(yīng)力分布

圖17 雙向加強(qiáng)時(shí)應(yīng)力分布

表2 吊耳位置無框時(shí)計(jì)算結(jié)果

上述幾個(gè)算例都是吊耳位置沒有加強(qiáng)框的計(jì)算結(jié)果，其中在沒有任何加強(qiáng)措施的情況下，最大應(yīng)力（802MPa）和最大位移（52mm）都很大，一階模態(tài)固有頻率很低（3Hz），此結(jié)果和無任何框的計(jì)算結(jié)果類似，吊耳處的載荷也不能有效地傳遞到整個(gè)吊艙，結(jié)構(gòu)傳力不合理。當(dāng)在吊耳處增加橫向加強(qiáng)筋后，最大應(yīng)力（300MPa）和位移（5.5mm）減小很明顯，一階模態(tài)固有頻率變高（10Hz），和吊耳處有框的計(jì)算結(jié)果類似，此結(jié)構(gòu)能起一定的加強(qiáng)作用。當(dāng)僅在縱向設(shè)置加強(qiáng)筋的情況下，位移仍然很大（34mm）傳力效果不是很好。當(dāng)設(shè)置雙向加強(qiáng)筋的情況下，應(yīng)力和位移都變得比較小，加強(qiáng)筋將力傳遞到附近的加強(qiáng)框，從而達(dá)到與有框結(jié)構(gòu)相同的效果。

3 結(jié)語

綜上所述，吊艙在吊耳位置的加強(qiáng)框?qū)⒌跖摻孛婀潭ǔ梢粋€(gè)整體，將吊耳位置的集中力分散到整個(gè)截面，因此，增加了艙體的抗彎剛度，起到很好的傳力作用。同時(shí)變截面和帶撐桿的加強(qiáng)框能夠達(dá)到等強(qiáng)度要求，減少了材料，從而減輕框的重量。對于不能在吊耳處設(shè)置加強(qiáng)框的情況下，應(yīng)該在吊耳處設(shè)置橫向和縱向的加強(qiáng)筋，增加吊耳周圍的剛度，將力以最有效的方式傳遞到附近的加強(qiáng)框上。