李春剛

(海軍駐漢中地區(qū)航空軍事代表室，陜西 漢中723213)

1 引言

發(fā)動機(jī)安裝架的功用是將發(fā)動機(jī)可靠地安裝在飛機(jī)上，使發(fā)動機(jī)在各種使用環(huán)境和飛行狀態(tài)下都能正常工作，并將發(fā)動機(jī)工作時所發(fā)出的推力和螺旋槳旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的拉力有效地轉(zhuǎn)變?yōu)轱w機(jī)飛行的動力。發(fā)動機(jī)安裝架是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的傳力構(gòu)件之一，一旦失效或破壞，會危及飛行安全，進(jìn)而可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。

某型飛機(jī)在換裝新型大功率發(fā)動機(jī)后，對其發(fā)動機(jī)安裝架進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，主要為重新設(shè)計了發(fā)動機(jī)主減振器和發(fā)動機(jī)機(jī)架與機(jī)翼連接接頭兩部分。對于改進(jìn)設(shè)計后的發(fā)動機(jī)安裝架能否在多種載荷情況下正常工作，本文基于有限元分析的方法對發(fā)動機(jī)安裝架進(jìn)行了強(qiáng)度校核。

2 發(fā)動機(jī)安裝架結(jié)構(gòu)及載荷簡介

發(fā)動機(jī)安裝架結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由帶減震器的發(fā)動機(jī)架及帶有受力隔框的受力桁架組成。受力桁架安裝在機(jī)翼前梁上。發(fā)動機(jī)架由主減震器(主接頭1、1′)、主撐桿(1-2、1′-2′)、中撐桿(1-3、1′-3)、側(cè)撐桿(1-4、1′-4′)及減震支柱(2-5、2′-5′)組成。 受力桁架由上中撐桿(3-6、3-6′)、上側(cè)撐桿(2-6、2′-6′)、中側(cè)撐桿(2-7、2′-7′)以及下側(cè)撐桿(4-8、4′-8′)組成。

圖1 某型飛機(jī)發(fā)動機(jī)安裝架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of the engine mount

表1 某型飛機(jī)發(fā)動機(jī)安裝架載荷Table 1 The load of the engine mount

本次發(fā)動機(jī)安裝架有限元分析選取了24種載荷情況，如表1所示。

3 發(fā)動機(jī)安裝架有限元模型簡介

3.1 有限元分析模型圖

有限元分析模型圖如圖2～圖4所示。

3.2 相關(guān)模擬過程及載荷施加

3.2.1 發(fā)動機(jī)安裝架模擬

在發(fā)動機(jī)安裝架有限元模型中，將發(fā)動機(jī)簡化成剛體元(RBE2)，發(fā)動機(jī)架撐桿簡化成桿元，發(fā)動機(jī)主、輔減振器簡化成標(biāo)量元(CELAS2)，隔框簡化成桿元、板元組合結(jié)構(gòu)。

圖2 有限元模型圖Fig.2 FEA model

圖3 發(fā)動機(jī)支撐桿有限元模型圖Fig.3 The finite element model diagram of engine rod

圖4 受力隔框有限元模型圖Fig.4 The finite element model of force frame

將發(fā)動機(jī)簡化成剛體元的具體方法為：以發(fā)動機(jī)重心處節(jié)點132為參考點，以發(fā)動機(jī)主接頭和減振支柱節(jié)點133、134為生成約束方程的節(jié)點，對發(fā)動機(jī)的平動自由度生成約束方程[1]。采用RBE2剛性單元來模擬發(fā)動機(jī)，相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 模型參數(shù)Table 2 Model parameters

如圖5所示的發(fā)動機(jī)架系統(tǒng)，由固定發(fā)動機(jī)的圓環(huán)和使圓環(huán)固定到飛機(jī)機(jī)身或機(jī)翼(要以螺旋槳發(fā)動機(jī)組合的位置為轉(zhuǎn)移)上的八根連桿所組成。連桿焊接到圓環(huán)上。在1、2、3、4點上連桿成對地互相焊接起來，而且每對連桿用螺釘(通常螺釘軸方向為水平)固定到隔框或桁梁上。

圖5 發(fā)動機(jī)架系統(tǒng)簡圖Fig.5 The system diagram of the engine mount

本文所選系統(tǒng)是多次靜不定的空間剛架，其準(zhǔn)確計算比較繁復(fù)，通常首先把發(fā)動機(jī)連同圓環(huán)當(dāng)作一堅固物體，然后再用這八根連桿固定到支撐面上，接著假定連桿對圓環(huán)和對支撐面都采用鉸連接，使發(fā)動機(jī)架僅承受軸向力。在這種形式下，需解決的問題就變成兩次靜不定，因為要固定堅固物體，六根連桿就足夠了。在確定連桿的“內(nèi)力”后，把圓環(huán)當(dāng)作是在許多支點上的閉合曲梁。支點是固定發(fā)動機(jī)的節(jié)點，而載荷則為下面所求得的連桿中的“內(nèi)力”。在這種處理下，本文忽略連桿節(jié)點剛性的影響，以及圓環(huán)受連桿中“內(nèi)力”作用時彈性的影響。這與更準(zhǔn)確的計算和試驗數(shù)據(jù)相比，差別表現(xiàn)在彎曲的附加應(yīng)力的最大值發(fā)生在剛節(jié)點處，并達(dá)到30%。而對于縱向力的數(shù)值，則可由上面的近似計算導(dǎo)出。

在發(fā)動機(jī)支撐桿模擬單元的選取上，用兩種模型進(jìn)行比較：模型1為將發(fā)動機(jī)后安裝支架簡化成梁元，模型2為將發(fā)動機(jī)后安裝支架簡化成桿元。從兩種模型計算結(jié)果看，兩者軸應(yīng)力基本相當(dāng)，但是梁的復(fù)合應(yīng)力(彎曲應(yīng)力與軸應(yīng)力迭加)與桿的軸應(yīng)力相比，大約增加35%，這說明剛節(jié)點處彎曲附加應(yīng)力較大，這也與文獻(xiàn)[2]中的相符合。強(qiáng)度分析時，模型最終簡化成桿元。

3.2.2 發(fā)動機(jī)主、輔減振器剛度及受力隔框模擬

為模擬發(fā)動機(jī)主、輔減振器剛度對發(fā)動機(jī)載荷分配的影響，將發(fā)動機(jī)主接頭與減振支柱連接剛度用標(biāo)量彈簧元CELAS2模擬。標(biāo)量彈簧元CELAS2用于模擬結(jié)構(gòu)的彈性及阻尼時，沒有單元坐標(biāo)系，不涉及結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，用坐標(biāo)成分編號 1、2、3、4、5、6中的一位數(shù)字表示彈簧的方向[3]。有限元模型中，具體模擬情況見表3。

該受力隔框為平面承力隔框，起連接前、后發(fā)動機(jī)架的作用，承受框平面內(nèi)自身平衡載荷作用，模型中用桿、板單元模擬。

表3 標(biāo)量彈簧元Table 3 CELAS2

3.2.3 載荷施加及模型約束

在發(fā)動機(jī)重心處(節(jié)點132)施加發(fā)動機(jī)載荷，發(fā)動機(jī)拉力和慣性載荷用force卡施加，發(fā)動機(jī)扭矩和陀螺力矩用moment卡施加。

計算模型通過在發(fā)動機(jī)支撐桿與機(jī)翼各連接節(jié)點處鉸支，對模型的六個剛體位移進(jìn)行約束。

4 相關(guān)計算及結(jié)果

4.1 有限元分析計算結(jié)果

有限元計算結(jié)果見表4(本表僅提供結(jié)果范圍)。表中“+”號表示撐桿受拉，“–”號表示撐桿受壓。

4.2 發(fā)動機(jī)安裝架承載能力計算

撐桿材料：30CrMnSiA，σb=(12±1)×102MPa，σp=781 MPa。

撐桿承拉：［P］拉=σlj·A

式中：L′為撐桿有效長度， 且 L′=L/C0.5，C 為端部支持系數(shù)；ρ為剖面回轉(zhuǎn)半徑，且 ρ=(Imin/A)0.5=［(D2+d2)/16］0.5。

若 σlj≤σp，則撐桿臨界應(yīng)力為：

若 σlj＞σp， 對于根據(jù)臺特邁公式，則撐桿失穩(wěn)臨界應(yīng)力為：

對于 C=2，(L/ρ)LIN=72.854，則有：

表4 發(fā)動機(jī)安裝架有限元計算結(jié)果Table 4 The finite element calculation results of the engine mount

撐桿總體失穩(wěn)臨界載荷：［P］壓=σlj·A

計算結(jié)果如表5所示。

4.3 發(fā)動機(jī)安裝架強(qiáng)度校核

支撐桿受拉最小剩余強(qiáng)度：η+=［P］拉/N+

支撐桿受壓最小剩余強(qiáng)度：η-=［P］壓/N-

計算結(jié)果如表6所示。

由表6可以看出，發(fā)動機(jī)安裝架支撐桿受拉最小剩余強(qiáng)度η+=1.32，受壓最小剩余強(qiáng)度η-=1.08，滿足使用要求。

5 結(jié)論

在本次發(fā)動機(jī)架有限元分析中，以發(fā)動機(jī)安裝節(jié)載荷計算結(jié)果中最嚴(yán)重的載荷強(qiáng)度作為計算依據(jù)，并選擇對強(qiáng)度最不利的尺寸公差和材料機(jī)械性能下限值進(jìn)行強(qiáng)度校核。對比發(fā)動機(jī)安裝架強(qiáng)度有限元校核結(jié)果，某型飛機(jī)發(fā)動機(jī)架改進(jìn)設(shè)計合理，改進(jìn)后強(qiáng)度能滿足使用要求，拓展了此型飛機(jī)在選擇發(fā)動機(jī)重量及推力的選擇范圍。

表5 發(fā)動機(jī)安裝架承載能力計算結(jié)果Table 5 The calculation results of carrying capacity of the engine mount

表6 發(fā)動機(jī)安裝架支撐桿強(qiáng)度計算結(jié)果Table 6 The calculation results of the rod strength of the engine mount

[1]陳火紅.新編MD Nastran有限元實例教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]利夫希茨 Я Д.飛機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].許玉贊，黃玉珊，顧松年，譯.北京：高等教育出版社，1954.

[3]羅 旭.Femap&NX Nastran基礎(chǔ)及高級應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[4]飛機(jī)設(shè)計手冊編輯委員會.飛機(jī)設(shè)計手冊第9冊[K].北京：航空工業(yè)出版社，2001.