一種艙內(nèi)儀器可換支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析

劉 鵬，方澤平，于 賀，王曉鵬，程 蕾

（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

1 引 言

根據(jù)不同任務(wù)需要更換某種特定儀器設(shè)備是飛行器的特殊需求，而傳統(tǒng)的艙體內(nèi)儀器裝置一般均采用不可拆卸替換的結(jié)構(gòu)方案，僅在某種特定狀況下有效，無法滿足現(xiàn)場快速對儀器進(jìn)行更換的需求。

本文設(shè)計(jì)了一種艙內(nèi)儀器可換支架一體化結(jié)構(gòu)。通過接口設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)、人機(jī)工程設(shè)計(jì)以及有限元仿真分析等設(shè)計(jì)方法，提出了優(yōu)化的操作窗口尺寸及支架結(jié)構(gòu)形式，解決了儀器的快速更換操作需求，操作流程便捷，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及安裝要求，能夠有效保證儀器正常工作。

2 艙內(nèi)儀器可換支架設(shè)計(jì)要求

儀器可換支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求：①質(zhì)量不超過5.5 kg；②更換儀器操作一人可完成，時(shí)間不超過15 min；③可承受瞬時(shí)載荷9 000 N，時(shí)間歷程15 ms，變形量不超過1 mm；④一階諧振頻率不低于70 Hz。

需進(jìn)行更換的儀器外形尺寸為φ130 mm×600 mm，上部有2個(gè)固定支耳，下部有2個(gè)M10螺紋孔，距固定支耳約200 mm，儀器重量約為7 kg，儀器外形如圖1所示。

圖1 儀器外形圖Fig.1 Instrument shape

3 儀器可換支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

儀器可換支架采用桁條—支架一體化設(shè)計(jì)，主要由窗口口框、安裝口蓋、上支架和下支架組成，窗口口框與艙體之間采用鉚接連接形式，安裝口蓋與窗口口框之間、上支架與窗口口框之間、下支架與窗口口框之間均通過螺栓連接，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 儀器可換支架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Replaceable bracket structure diagram

儀器可換支架結(jié)構(gòu)通過接口設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)和人機(jī)工程設(shè)計(jì)，各部分內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)融合，使支架達(dá)到功能、重量、強(qiáng)度和人機(jī)工程的最優(yōu)化。

3.1 接口設(shè)計(jì)

儀器與支架的接口是否簡單可靠，決定了儀器安裝與更換的操作時(shí)間和維修性，可直接影響產(chǎn)品的快速響應(yīng)時(shí)間。

考慮儀器更換的安全性和可操作性，與上部支耳的接口設(shè)計(jì)采用方槽結(jié)構(gòu)，方槽尺寸為25 mm×20 mm×11 mm（長×高×深），方槽背面固定M10托板螺母，結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。

圖3 儀器與支架接口Fig.3 Interface between bracket and instrument

支架下部設(shè)計(jì)2個(gè)φ10.5 mm通孔，通過2個(gè)M10螺釘與儀器下部連接固定，確保儀器連接性可靠性和易操作性，結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示。

該支架接口的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）有效保證儀器安裝的重復(fù)性；

（2）可確保儀器在固定螺釘全部拆卸下來時(shí)，儀器不會(huì)掉落，保證儀器和艙內(nèi)設(shè)備的安全；

（3）降低儀器固定螺釘?shù)募羟休d荷，提高儀器工作的可靠性；

（4）拆卸和安裝儀器，僅對螺釘操作，有效降低艙內(nèi)出現(xiàn)多余物的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 輕量化設(shè)計(jì)

為保證彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輕量化、小型化需求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于艙體內(nèi)有限的空間及較低的承載質(zhì)量，要求儀器支架具有體積小、質(zhì)量輕及操作簡便等特點(diǎn)，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃料質(zhì)量，增加飛行距離，提高飛行速度。

根據(jù)輕量化設(shè)計(jì)方法和原則，儀器可換支架輕量化設(shè)計(jì)的要點(diǎn)如下：①采用具有強(qiáng)度高、密度低的鋁合金材料2A14；②優(yōu)化傳力路徑，上支架作為主要的承載部件，采用三角形結(jié)構(gòu)，構(gòu)件橫截面為U型，具有較好的抗彎、抗扭性能和輕質(zhì)的特點(diǎn)，下支架為輔助支撐固定，有效降低無效重量，結(jié)構(gòu)效率高；③遵循輕量化設(shè)計(jì)中集成化原則，艙體加強(qiáng)框集成了艙體窗口加強(qiáng)和艙體軸向承載加強(qiáng)的功能；④大面積安裝口蓋采用薄壁設(shè)計(jì)理念，厚度只有1.5 mm，通過鈑金加工成型。

通過上述輕量化設(shè)計(jì)后，艙內(nèi)儀器可換支架重量為3.71 kg，滿足重量不超過5.5 kg的設(shè)計(jì)要求，支架各零件重量如表1所示。

表1 支架各零件重量匯總表Tab.1 Summary of weight of each part of brachet

3.3 安全性設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)始終把安全性要求放在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首位考慮。根據(jù)安全性設(shè)計(jì)要求，儀器可換支架的安全性設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：①安裝窗口采用設(shè)計(jì)圓角R60的結(jié)構(gòu)，有效預(yù)防操作人員安裝、拆卸儀器時(shí)手部和手臂的劃傷；②窗口口框、上支架、下支架等結(jié)構(gòu)件均打磨加工毛刺，并對結(jié)構(gòu)件銳角倒鈍R0.5，避免造成操作人員的傷害；③上支架設(shè)計(jì)凹槽結(jié)構(gòu)，可保證在4個(gè)M8螺釘擰出后，儀器不會(huì)跌落或者滑出，有效提高儀器和艙體的安全性，如圖3所示；④上支架與儀器接口設(shè)計(jì)托板螺母，避免安裝和拆卸儀器時(shí)，操作人員不慎將螺母掉入艙內(nèi)，產(chǎn)生多余物；⑤支架滿足承載要求，剩余強(qiáng)度系數(shù)大于1.0。

3.4 人機(jī)工程設(shè)計(jì)

基于人機(jī)工程學(xué)的艙內(nèi)儀器可換支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要就是為操作人員提供優(yōu)良的操作空間，使操作人員獲得最佳的視覺效果，讓操作人員方便安裝和更換儀器。因此，進(jìn)行支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮操作空間、視野與視距及操作范圍三個(gè)方面。

由于儀器的直徑為130 mm，操作者需要雙手抱緊，根據(jù)《GJB 2873—1997軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》，人體測量項(xiàng)目數(shù)據(jù)第95百分位數(shù)手掌厚度為30 mm，考慮殼體承載能力和軸向力傳遞路徑，窗口寬度設(shè)計(jì)尺寸為195 mm，有效保證了儀器的更換操作需求，且可有效保證殼體的極限承載性能，如圖4所示。

圖4 艙內(nèi)儀器可換支架人機(jī)操作示意圖Fig.4 Diagram of man-machine operation of replaceable bracket

3.5 儀器更換操作步驟

（1）拆卸安裝口蓋連接螺栓，將安裝口蓋取下；

（2）拆卸下支架把手與下支架支座的兩個(gè)連接螺栓；

（3）將儀器與上支架連接的兩個(gè)安裝螺栓拆卸，將下支架把手與儀器同時(shí)取出；

（4）拆卸下支架把手并替換儀器，隨后將替換后的儀器及下支架把手裝入艙內(nèi)，按要求裝配所有連接螺栓；

（5）將安裝口蓋與艙體連接，完成儀器替換。

4 強(qiáng)度計(jì)算與分析

4.1 有限元模型

針對艙內(nèi)儀器可換支架建立有限元模型，包括金屬殼體、桁條、安裝窗口、安裝口蓋、上支架和下支架等結(jié)構(gòu)。殼體為2A14鍛造毛坯機(jī)加成型，桁條為2A12鋁合金，安裝口蓋、上支架和下支架均采用2A14鍛造鋁合金。材料性能參數(shù)如表2所示。

表2 材料性能參數(shù)Tab.2 Materials property parameters

采用C3D10M和C3D8I網(wǎng)格單元建模，C3D10M為10節(jié)點(diǎn)高階四面體單元，計(jì)算精度較高，可以模擬大位移和接觸問題。C3D8I為8節(jié)點(diǎn)非協(xié)調(diào)實(shí)體單元，可以較好地模擬螺栓連接。在單元扭曲比較小的情況下，可以得到準(zhǔn)確的位移和應(yīng)力結(jié)果。在厚度方向，只需要很少的單元，就可以得到與二次單元相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。

桁條、安裝窗口與殼體的鉚釘連接及上支架、下支架與安裝窗口和殼體的螺釘連接均簡化為綁定約束連接。有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元模型Fig.5 Finite element model

采用動(dòng)力學(xué)仿真分析方法進(jìn)行分析。通過安裝儀器的軸線加載工作載荷，軸線與彈體軸線平行，方向指向彈頭，載荷信息如圖6所示。

圖6 儀器工作載荷Fig.6 Instrument working load

4.2 強(qiáng)度分析

通過有限元分析，從圖7和圖8可以看出艙內(nèi)儀器可換支架在儀器工作載荷作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移分布。因該支架主要為剛度設(shè)計(jì)，整體應(yīng)力水平較低。共最大應(yīng)力位于儀器與上支架連接的接耳根部，為85.1 MPa，儀器與下支架連接處的應(yīng)力為56.7 MPa，安裝窗口處的最大應(yīng)力為28.3 MPa，遠(yuǎn)小于2A12鋁合金屈服強(qiáng)度390 MPa。

圖7 儀器可換支架應(yīng)力分布圖Fig.7 Replaceable bracket stress distribution diagram

圖8 儀器可換支架位移分布圖Fig.8 Replaceable bracket displacement distribution diagram

位于儀器與下支架連接處的最大位移為0.33 mm，應(yīng)變?yōu)?6.7 MPa，儀器與上支架連接處的位移為0.19 mm，應(yīng)變?yōu)?5.1 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求的最大形變不超過1 mm。

4.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析用于求出結(jié)構(gòu)自然頻率和模態(tài)形狀，也稱固有頻率和主振型。該分析結(jié)果對于實(shí)際工程設(shè)計(jì)有關(guān)參數(shù)的選擇（如激振頻率的確定、共振現(xiàn)象的避免與利用等）及進(jìn)一步的動(dòng)力分析都很重要，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的基本頻率和模態(tài)信息能夠反映動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

模態(tài)分析的有限元模型連接形式簡化為綁定連接，分析過程中，固定殼體下端框，將艙內(nèi)儀器假定為均質(zhì)模型進(jìn)行模態(tài)分析。

艙內(nèi)儀器可換支架的一階和二階振型均表現(xiàn)為沿切向的左右擺動(dòng)，頻率為78.9 Hz和83.8 Hz，如圖9和圖10所示。三階振型表現(xiàn)為支架的上下擺動(dòng)，頻率為96.5 Hz，如圖11所示。高于殼體中段飛行的一階模態(tài)頻率為40.6 Hz，滿足實(shí)際飛行工況要求。

圖9 儀器可換支架一階振型Fig.9 First-order vibration mode of replacefable bracket

圖10 儀器可換支架二階振型Fig.10 Second-order vibration mode of replaceable bracket

圖11 儀器可換支架三階振型Fig.11 Third-order vibration mode of replaceable bracket

4.4 分析結(jié)論

通過以上分析，艙內(nèi)儀器可換支架的強(qiáng)度和諧振頻率滿足設(shè)計(jì)要求，可有效保證飛行過程中的儀器工作正常。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 振動(dòng)試驗(yàn)

艙內(nèi)儀器可換支架搭載儀器進(jìn)行殼體聯(lián)合振動(dòng)試驗(yàn)，包括殼體軸向振動(dòng)試驗(yàn)和橫向振動(dòng)試驗(yàn)。軸向振動(dòng)試驗(yàn)中，殼體豎直放置，后端框與軸向工裝相連，工裝與振動(dòng)臺連接，通過振動(dòng)臺施加激振力。橫向振動(dòng)試驗(yàn)中，殼體豎直放置，后端框與工裝相連，工裝與滑臺連接，振動(dòng)臺帶動(dòng)滑臺對試驗(yàn)件施加激振力，如圖12所示。

圖12 振動(dòng)試驗(yàn)示意圖Fig.12 Diagram of vibration test

通過分析正弦掃頻振動(dòng)數(shù)據(jù)，可以得出，艙內(nèi)儀器可換支架一階頻率為72 Hz，二階頻率為77 Hz，三階頻率為90 Hz。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模態(tài)分析數(shù)據(jù)對比見表3?？紤]到試驗(yàn)件質(zhì)量分布與分析模型的偏差及試驗(yàn)誤差，振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果基本一致。

表3 振動(dòng)試驗(yàn)與模態(tài)分析數(shù)據(jù)對比Tab.3 Comparison of vibration test and modal analysis data

5.2 儀器工作狀態(tài)沖擊試驗(yàn)

艙內(nèi)儀器可換支架搭載儀器進(jìn)行殼體聯(lián)合工作試驗(yàn)，各位置粘貼應(yīng)變、位移等傳感器，測點(diǎn)位置如圖13所示。

圖13 測點(diǎn)位置示意圖ig.13 Diagram of measuring point position

儀器工作期間，傳感器測得測點(diǎn)位置支架的應(yīng)力峰值為18.2 MPa，位移峰值為0.15 mm。

對比有限元仿真分析結(jié)果，與應(yīng)力測點(diǎn)位置對應(yīng)的分析數(shù)據(jù)為22.3 MPa，位移測點(diǎn)對應(yīng)的分析數(shù)據(jù)為0.19 mm?？紤]試驗(yàn)件裝配間隙和試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)測量結(jié)果與有限元分析結(jié)果基本吻合。因此，可以得出結(jié)論：儀器工作時(shí)，支架的應(yīng)力水平較低，艙內(nèi)儀器可換支架滿足儀器使用要求。試驗(yàn)示意圖如圖14所示。

圖14 儀器聯(lián)合工作試驗(yàn)示意圖Fig.14 Diagram of instrument test

5.3 操作時(shí)間考核

操作技師從拆卸口蓋的第一個(gè)螺釘開始計(jì)時(shí)，按操作規(guī)程：取下口蓋，拆卸儀器，更換新狀態(tài)的儀器，安裝口蓋，直至最后一個(gè)螺釘擰緊后結(jié)束計(jì)時(shí)。共耗時(shí)13 min。通過實(shí)操考核摸底數(shù)據(jù)，可知艙內(nèi)儀器可換支架有效縮短了更換儀器的操作時(shí)間，無須分解艙段即可完成操作。

5.4 小結(jié)

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，儀器可換支架的性能指標(biāo)及試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)要求，如表4所示。

表4 設(shè)計(jì)要求滿足情況匯總表Tab.4 Summary of satisfaction of design requirements

6 結(jié)束語

根據(jù)實(shí)際需求和設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一種艙內(nèi)儀器可換支架結(jié)構(gòu)。同時(shí)，通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行的仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該結(jié)構(gòu)滿足使用的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形和諧振頻率的要求。該儀器可換支架的設(shè)計(jì)，為同類支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠的參考依據(jù)，對后續(xù)相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有良好的指導(dǎo)作用。后續(xù)工作將在艙內(nèi)儀器支架的系列化、產(chǎn)品化、低成本等方面進(jìn)行深入研究。