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        翼下吊架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析方法研究

        2018-03-29 07:19:45鞠明明漆文凱齊鳴瑞
        機(jī)電信息 2018年9期
        關(guān)鍵詞:方向有限元發(fā)動(dòng)機(jī)

        鞠明明 漆文凱 齊鳴瑞

        (南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院,江蘇南京210000)

        0 引言

        隨著我國(guó)飛機(jī)事業(yè)的發(fā)展,對(duì)于吊架的研究越來(lái)越深入。文獻(xiàn)[1]中,針對(duì)ERJ145飛機(jī)吊架,采用CFD數(shù)值仿真方法,分析了吊架溫度場(chǎng)引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[2]采用多學(xué)科分析方法和CFD仿真方法,分析了在跨聲速條件下懸臂梁飛機(jī)吊架受機(jī)翼、梁相互干擾引起的氣動(dòng)載荷特點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一套吊架部段靜力試驗(yàn)系統(tǒng),采用載荷偏移與力偶施加相結(jié)合的方法,測(cè)試了三種危險(xiǎn)工況載荷。文獻(xiàn)[4]利用ANSYS軟件建立吊架等效模型,在三種工況下分析了吊架結(jié)構(gòu)的減振特性。而對(duì)于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),除了正常工作狀態(tài)的載荷外,還有風(fēng)車狀態(tài)這一特殊狀態(tài)下的載荷。文獻(xiàn)[5]論述了吊架強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,并給出了不同載荷條件下的吊架可靠性評(píng)價(jià)方法。

        本文將建立翼下吊架有限元模型,明確各個(gè)工況載荷,并建立一種吊架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特性研究方法,以期為吊架的設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。

        1 翼下吊架設(shè)計(jì)與模型建立

        選取超靜定結(jié)構(gòu)形式,在UG中建立吊架的參數(shù)化實(shí)體模型,然后導(dǎo)入到Workbench中,進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分,得到有限元參數(shù)化模型,如圖1所示。

        圖1 翼下吊架有限元參數(shù)化模型

        選取Solid185單元,節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)561 591,單元個(gè)數(shù)114 679,材料為鈦合金Ti-6Al-4V,彈性模量為118 GPa,泊松比為0.31,屈服強(qiáng)度為827 MPa。其中A、C兩點(diǎn)為上接頭和下接頭,通過(guò)連桿與機(jī)翼相連;B為兩個(gè)中間接頭,直接與機(jī)翼連接;D為兩個(gè)側(cè)向接頭,通過(guò)連桿與機(jī)翼相連;G點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)后掛點(diǎn),包括四個(gè)抗拉螺栓和一個(gè)剪切銷;E為發(fā)動(dòng)機(jī)前掛點(diǎn)的左右兩個(gè)吊耳;F為冗余結(jié)構(gòu)掛點(diǎn)。

        2 極限靜載荷強(qiáng)度分析

        在Workbench軟件中,對(duì)吊架有限元模型的上接頭A、中接頭B、后接頭C的位移約束X、Y、Z三個(gè)方向上為0,繞X、Y方向角度約束為0,繞Z方向?yàn)樽杂杉s束;側(cè)接頭D的位移約束X、Y、Z三個(gè)方向上為0,繞Y、Z方向角度約束為0,繞X方向?yàn)樽杂杉s束。發(fā)動(dòng)機(jī)本身慣性力由E、G兩處共同承擔(dān),推力由后掛點(diǎn)G處承擔(dān)。

        表1為吊架極限工況載荷[3,5],其中1g表示發(fā)動(dòng)機(jī)慣性1倍過(guò)載。本文中選取的發(fā)動(dòng)機(jī)CFM56-3B-1型號(hào),最大推力為92.50 kN,自重2 403 kg。根據(jù)CCAR-25-R4§25.303條,對(duì)于推力載荷取1.5安全系數(shù),極限載荷可不取安全系數(shù)。

        表1 吊架極限工況載荷

        在Workbench中計(jì)算以上8個(gè)正常工況組合,得到應(yīng)力和形變結(jié)果如表2所示。

        表2 吊架極限工況計(jì)算結(jié)果

        由表2可以得出,各工況中,最大應(yīng)力為527.6 MPa,小于材料屈服強(qiáng)度827 MPa,因此吊架是安全的。

        3 動(dòng)態(tài)沖擊載荷強(qiáng)度計(jì)算與分析

        以單位力沖擊載荷或單位扭矩載荷作為載荷工況邊界,作用時(shí)間[5]取0.027 s,對(duì)吊架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析與計(jì)算。

        根據(jù)吊架結(jié)構(gòu)屈服極限為827 MPa,結(jié)合圖2、圖3的計(jì)算結(jié)果,得出各個(gè)方向上所能承受的最大載荷,如表3所示。

        圖2 單位力沖擊載荷應(yīng)力變化圖

        圖3 單位扭矩載荷應(yīng)力變化圖

        表3 動(dòng)態(tài)沖擊載荷工況計(jì)算結(jié)果

        表3中,各個(gè)方向上能夠承受的極限載荷是不同的,其中X方向能夠承受的力極限載荷最大,表明在推力方向,吊架結(jié)構(gòu)具有很好的強(qiáng)度特性,能夠很好地傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的推力載荷。X方向上的扭矩極限載荷最小,這是因?yàn)榈跫艿陌l(fā)動(dòng)機(jī)前掛點(diǎn)位置的寬度小于吊架結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度,且對(duì)于翼吊式飛機(jī)來(lái)說(shuō),慣性載荷大多是俯仰和轉(zhuǎn)彎慣性載荷,因此該方向上的扭矩極限載荷滿足吊架本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

        4 結(jié)語(yǔ)

        (1)參考已有的翼下吊架結(jié)構(gòu)形式,改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種后傳扭的超靜定式吊架結(jié)構(gòu)有限元模型,能夠更好地傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的載荷。

        (2)在極限靜載荷和動(dòng)態(tài)沖擊載荷條件下,分析了吊架的強(qiáng)度特性,并建立了一種針對(duì)吊架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析方法。

        (3)發(fā)動(dòng)機(jī)載荷通過(guò)吊架傳遞到飛機(jī)機(jī)翼,最終傳遞到機(jī)身,本文方法可用于研究吊架載荷傳遞的強(qiáng)度特性,同時(shí)也對(duì)吊架本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要的意義。

        [1]OLIVEIRA G L,SANTOS L C C,TRAPP L G.Conjugate Heat Transfer Methodology for Aircraft Pylon Analysis[C]//Aiaa Applied Aerodynamics Conference,2013.

        [2]OLIVEIRA G L,SANTOS L C C,TRAPP L G,et al.Conjugate Heat Transfer Methodology for Aircraft Pylon Analysis[C]//21st Applied Aerodynamics Conference,2003.

        [3]薛彩軍,譚偉,聶宏.民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛靜力試驗(yàn)技術(shù)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2011,26(6):735-742.

        [4]宋波濤,賀爾銘,張釗.翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)吊架結(jié)構(gòu)等效建模及減振特性分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,20(4):832-835.

        [5]章仕彪.民用運(yùn)輸機(jī)吊掛設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究,2012(1):27-31.

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