EWIS支架裝配變形及其承載分析

嚴(yán)文軍

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引言

民用飛機(jī)支架分布全機(jī)，用于安裝系統(tǒng)設(shè)備、管路和線纜等，其中以Electrical Wiring Interconnection System(簡(jiǎn)稱EWIS)——電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)的分布最為廣泛，相應(yīng)的安裝支架及其安裝要求多樣[1]。EWIS系統(tǒng)一般通過卡箍和螺栓安裝在支架上，由于線纜和支架遍布全機(jī)，安裝環(huán)境復(fù)雜，對(duì)于機(jī)上空間狹小或接近困難的區(qū)域，對(duì)于安裝形式和工具的使用有特殊的要求。為了便于操作并考慮維修性要求[2]，需要考慮單面裝配等要求，且線纜裝配過程中支架不易固定，可能導(dǎo)致支架承受裝配引起的額外載荷。

由于線纜一般重量比較輕，安裝支架受載較小，因此EWIS支架設(shè)計(jì)尺寸和厚度都較小。在實(shí)際線纜裝配過程中，出現(xiàn)較多由于人為操作不當(dāng)原因，裝配時(shí)未固定好支架，導(dǎo)致支架在裝配線纜后出現(xiàn)塑性變形。在沒有規(guī)定螺栓安裝力矩的情況下，螺栓和螺母的裝配扳手均沒有標(biāo)準(zhǔn)的安裝力矩值，安裝時(shí)僅憑經(jīng)驗(yàn)或感覺進(jìn)行裝配，一般要螺母擰不動(dòng)才算擰緊[3]，也會(huì)造成支架出現(xiàn)塑性變形，影響支架正常承載。因此，有必要對(duì)EWIS線纜的裝配過程進(jìn)行分析，確定安裝力矩對(duì)支架的影響，評(píng)估支架塑性變形對(duì)支架的承載影響，為支架設(shè)計(jì)及完善工藝規(guī)范提供指導(dǎo)[4]。

1 EWIS支架螺栓安裝分析

1.1 支架結(jié)構(gòu)及線纜安裝形式

EWIS系統(tǒng)安裝支架一般結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單，由于數(shù)量較多，多采用形狀簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)支架，以L型和Z型等居多，不同規(guī)格的支架尺寸和厚度不同，以適用于不同線纜類型和安裝環(huán)境。民用飛機(jī)上EWIS線束通常通過P型卡箍固定，用以承擔(dān)線束的重量并確保其預(yù)定安裝位置的支撐，卡箍再通過系統(tǒng)支架與機(jī)體結(jié)構(gòu)相連，支架則連接在機(jī)體結(jié)構(gòu)上[5]，如圖1所示。裝配過程中，一般系統(tǒng)支架先安裝在機(jī)體結(jié)構(gòu)上，線纜安裝時(shí)，需將線纜卡箍裝配在支架上，通過擰緊螺栓完成線纜裝配。在螺栓擰緊過程中，如果操作不當(dāng)，可能出現(xiàn)螺栓擰緊力矩由支架承受的情況，導(dǎo)致支架受到裝配載荷作用而出現(xiàn)變形，載荷較大時(shí)，可能出現(xiàn)塑性變形甚至發(fā)生斷裂。

圖1 EWIS線束安裝示意圖

1.2 材料彈塑性

針對(duì)支架出現(xiàn)塑性變形的情況，支架承受安裝力矩的分析中需要考慮材料的彈塑性變形特性。金屬材料在彈性段時(shí)彈性模量為常數(shù)，應(yīng)力超出材料屈服應(yīng)力后，開始表現(xiàn)出非線性特性[6]，剛度會(huì)顯著下降，卸載后會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變。

采用ABAQUS進(jìn)行建模，定義材料的塑性需使用真實(shí)應(yīng)力和塑性應(yīng)變。可以利用公式把塑性材料的名義應(yīng)力和名義應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變。轉(zhuǎn)換公式如下[7]：

εtrue=In(1+εnorm)

(1)

σtrue=σnorm(1+εnorm)

(2)

εpl=εtrue-σtrue/E

(3)

式中：εtrue——真實(shí)應(yīng)變；

εnorm——名義應(yīng)變；

σtrue——真實(shí)應(yīng)力；

σnorm——名義應(yīng)力；

εpl——塑性應(yīng)變；

E——楊氏模量。

EWIS安裝支架大都使用鋁合金材料，以2024-T42材料為例，通過查詢材料手冊(cè)得出其力學(xué)性能[8]，并通過上述公式計(jì)算，可得出其真實(shí)應(yīng)力和塑性變形。選取9個(gè)點(diǎn)來描述材料應(yīng)力應(yīng)變曲線，材料屈服時(shí)，其塑性應(yīng)變?yōu)?，如表1所示，其曲線如圖2所示。

表1 2024-T42材料性能數(shù)據(jù)

在ABAQUS中定義材料屬性時(shí)，輸入真實(shí)應(yīng)力和塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的非線性分析，以精確模擬結(jié)構(gòu)受載下的變形結(jié)果。

1.3 安裝力矩作用的有限元模擬

考慮到EWIS系統(tǒng)線纜重量一般都比較輕，對(duì)于安裝結(jié)構(gòu)的承載能力要求較低，為了降低制造的成本、采購成本和保證EWIS系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)的規(guī)范性及模塊化，民用飛機(jī)EWIS系統(tǒng)安裝采用了大量的標(biāo)準(zhǔn)安裝支架。選取典型的L型EWIS線纜安裝標(biāo)準(zhǔn)支架為例，對(duì)其在安裝力矩作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形情況進(jìn)行分析，以評(píng)估安裝力矩對(duì)支架結(jié)構(gòu)的影響。選取的L型支架為2024-T42材料的鈑金件，厚度為1.27 mm，尺寸如圖3所示，翻邊處可進(jìn)行锪窩，以增加支架剛度。支架上部安裝孔為線纜卡箍安裝處，安裝力矩通過此安裝孔傳遞到支架上，底部為與機(jī)體結(jié)構(gòu)安裝孔位置。

圖3 典型L型支架示意圖

采用ABAQUS軟件對(duì)安裝力矩的施加進(jìn)行模擬，對(duì)支架進(jìn)行有限元建模，在卡箍安裝處施加力矩，在與機(jī)體連接處施加約束。力矩載荷施加時(shí)，先將載荷施加到最大值，然后將載荷降為0，以模擬安裝力矩施加和安裝結(jié)束過程。

2 塑性變形和殘余應(yīng)力

選取安裝力矩為2.25 N·m、2.5 N·m、3 N·m、3.5 N·m、4 N·m五種載荷情況進(jìn)行分析，模擬支架裝配和卸載過程，得出支架在不同安裝力矩下的最大應(yīng)力、卸載后的殘余應(yīng)力和塑性變形。支架受安裝力矩作用后，最大變形處一般為支架安裝面邊緣，但實(shí)際裝配過程中，比較容易測(cè)量的是支架轉(zhuǎn)角處的塑性變形，因此本文中塑性變形統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)角處(如圖6)的最大變形結(jié)果。

通過計(jì)算，不同安裝力矩下的計(jì)算結(jié)果如表2所示，塑性變形隨力矩變化曲線如圖4所示，3.5 N·m工況下裝配應(yīng)力云圖、塑性變形云圖和殘余應(yīng)力云圖分別如圖5到圖7所示。

表2 不同安裝力矩下的計(jì)算結(jié)果

圖4 塑性變形隨力矩變化曲線

圖5 力矩3.5 N·m工況下裝配應(yīng)力云圖

圖6 力矩3.5 N·m工況下塑性變形云圖

圖7 力矩3.5 N·m工況下殘余應(yīng)力云圖

從表2中可以看出，這幾種力矩作用下，結(jié)構(gòu)均進(jìn)入塑性變形段，卸載后，產(chǎn)生了殘余應(yīng)力和塑性變形。彎曲力矩超過3 N·m后，塑性變形開始顯著增加，超過3.5 N·m后，急劇增加，這與圖3中的應(yīng)力應(yīng)變曲線是一致的。由此可見，裝配應(yīng)力會(huì)對(duì)支架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，可能產(chǎn)生塑性變形，嚴(yán)重的甚至可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

對(duì)于尺寸較長的支架，由于剛度較弱，如果承受的安裝力矩過大，可能產(chǎn)生較大的塑性變形和殘余應(yīng)力。可以通過非線性有限元方法來分析安裝力矩的影響，在分析標(biāo)準(zhǔn)支架的承載能力時(shí)考慮安裝環(huán)境，考慮可能的緊固件安裝力矩，以確定安裝工藝或使用區(qū)域的要求。

3 塑性變形后承載分析

3.1 支架的載荷分析

EWIS支架承受線纜重量載荷，需考慮飛行過程中線纜產(chǎn)生的慣性載荷作用[9]。EWIS線纜重量較輕，標(biāo)準(zhǔn)支架承受線纜重量一般小于300 g。以線纜重量300 g計(jì)算，慣性載荷系數(shù)取為各向9 g[10]，支架承受的慣性力為26 N，慣性力作用在線纜卡箍安裝處。

3.2 變形后承載分析

選取安裝力矩3.5 N·m工況來分析支架塑性變形后的承載能力，在結(jié)構(gòu)塑性變形的基礎(chǔ)上分別在各方向施加慣性力，得到結(jié)構(gòu)變形后受載的應(yīng)力結(jié)果,并與支架未發(fā)生塑性變形，只承受慣性載荷情況的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

支架靜強(qiáng)度分析中，得出Von Mises應(yīng)力后，一般可采用材料的拉伸強(qiáng)度σb作為結(jié)構(gòu)破壞的許用值，2024-T42材料的拉伸強(qiáng)度為406 MPa[8]，從而得出變形后支架承載的安全裕度，如表3所示。

表3 系統(tǒng)支架塑性變形前后受載的最大應(yīng)力結(jié)果

從表中可以看出，支架只承受慣性載荷下產(chǎn)生的應(yīng)力水平較小，在存在塑性變形和殘余應(yīng)力狀態(tài)下，仍可承受一定的載荷。但是，存在塑性變形的支架繼續(xù)受載時(shí)，應(yīng)力水平比未變形支架高很多，安全裕度較低，更容易產(chǎn)生破壞，因此裝配過程中需避免支架塑性變形的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

1)采用非線性有限元方法，對(duì)支架裝配過程進(jìn)行了分析，得出了結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和塑性變形，可評(píng)估安裝力矩對(duì)支架的影響，確定安裝力矩及工藝要求。對(duì)于尺寸較長的支架，由于剛度較弱，需制定防范措施和安裝要求，避免支架承受過大的安裝力矩而產(chǎn)生塑性變形。

2)對(duì)支架塑性變形后的承載進(jìn)行了分析，可用于支架變形后的承載強(qiáng)度評(píng)估，并得出了塑性變形對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的影響。塑性變形和殘余應(yīng)力對(duì)支架結(jié)構(gòu)承載能力有較大影響，支架出現(xiàn)塑性變形后，承載后應(yīng)力急劇增大，嚴(yán)重影響其承載能力。

3)按照非線性分析方法，可對(duì)支架安裝變形進(jìn)行分析，并分析其變形后的承載能力，可用于支架變形問題的處理和評(píng)估。

4)在支架設(shè)計(jì)過程中，由于安裝力矩一般根據(jù)安裝螺栓的直徑來確定，因此需要使支架與安裝螺栓大小和牌號(hào)相匹配，以避免安裝變形的產(chǎn)生。

5)EWIS支架在使用和安裝過程中的載荷情況復(fù)雜，操作過程中還可能存在人為按壓、碰撞等載荷，存在各種不確定性的載荷，設(shè)計(jì)中需要對(duì)這些場(chǎng)景進(jìn)行分析，并參考相關(guān)的操作手冊(cè)，確定安裝和使用中可能遇到的載荷，在設(shè)計(jì)中考慮這些載荷的影響，以支持EWIS支架和標(biāo)準(zhǔn)支架的設(shè)計(jì)。