李思潭， 鮮章林， 顏凱

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)改裝研究部，西安 710089）

0 引 言

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，軍用電子吊艙作為一種新型的機(jī)載電子戰(zhàn)武器，已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段[1]。機(jī)載光電吊艙是用于航空偵察的一種光電設(shè)備，通常安裝在戰(zhàn)斗機(jī)的腹部或機(jī)翼下面，用于戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)目標(biāo)的精確搜索、跟蹤和鎖定，并引導(dǎo)精確制導(dǎo)[2]。

由于機(jī)載飛行條件較為復(fù)雜，吊艙使用環(huán)境較為惡劣，故吊艙對(duì)載機(jī)的氣動(dòng)、剛強(qiáng)度均會(huì)產(chǎn)生不利影響。機(jī)載吊艙與飛機(jī)剛性連接，吊艙結(jié)構(gòu)必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證艙內(nèi)設(shè)備的測(cè)量精度以及飛機(jī)的飛行安全。

本文基于CATIA設(shè)計(jì)了一種電子吊艙典型結(jié)構(gòu)的三維模型，利用HyperMesh軟件建立了全尺寸有限元模型，應(yīng)用MAC.NASTRAN對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)仿真，獲得了該吊艙結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度特性，依據(jù)仿真結(jié)果給出了吊艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建議。

1 吊艙結(jié)構(gòu)

吊艙整體分為前整流段、后整流段和等直段3部分，通過吊耳與機(jī)翼掛架連接。吊艙由蒙皮、承力口蓋、天線罩、橫向構(gòu)件、縱向構(gòu)件組成，吊艙長(zhǎng)度4620 mm，等直段直徑620 mm，框距400 mm至700 mm不等，具體構(gòu)件數(shù)據(jù)如下：吊艙蒙皮厚1.5 mm；承力口蓋壁板及筋條厚3 mm；框壁板及緣條厚4 mm；框筋條厚3 mm；天線安裝框厚度5 mm；掛梁壁厚4 mm。

其中蒙皮和承力口蓋構(gòu)成吊艙的氣動(dòng)外形，橫向構(gòu)件由7個(gè)隔框組成，縱向構(gòu)件由主掛梁、2個(gè)縱梁、加強(qiáng)長(zhǎng)桁和普通長(zhǎng)桁組成。橫向構(gòu)件與縱向構(gòu)件共同維持艙壁外形，且2隔框同時(shí)也是天線設(shè)備的安裝框。隔框、主掛梁與承力口蓋作為主承力結(jié)構(gòu)，均為航空鋁材整體機(jī)加而成，設(shè)備件安裝平臺(tái)通過型材與框相連，其上搭有設(shè)備安裝板。吊艙主體結(jié)構(gòu)材料選取LY12CZ，吊耳材料為30CrMnSiA，兩種材料的力學(xué)性能如表1所示。吊艙整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 有限元模型的建立

以吊艙三維模型為背景，對(duì)其進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，依據(jù)圣維南定理，簡(jiǎn)化結(jié)果應(yīng)不影響吊艙仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體尺寸，將蒙皮、口蓋腹板、框腹板、主掛梁簡(jiǎn)化為二維殼單元（CQUAD4，CTRIA3），將長(zhǎng)桁、口蓋加強(qiáng)筋條、縱梁、框緣條簡(jiǎn)化為一維梁?jiǎn)卧–BEAM），螺栓連接用MPC模擬，艙內(nèi)設(shè)備用集中質(zhì)量單元（CONM2）模擬，鉚釘連接采用節(jié)點(diǎn)耦合方式處理。吊艙有限元網(wǎng)格模型如圖2、圖3所示，整個(gè)吊艙結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)重量120 kg，設(shè)備重量245 kg。吊艙有限元模型共34 765個(gè)節(jié)點(diǎn)，41 359個(gè)單元。

表1 材料力學(xué)性能

圖1 吊艙結(jié)構(gòu)三維模型

圖2 吊艙蒙皮、口蓋、天線罩有限元模型

圖3 主掛梁、框、縱梁、長(zhǎng)桁有限元模型

圖4 吊耳連接處MPC模型

3 邊界條件

掛梁通過兩個(gè)機(jī)載懸掛吊耳與機(jī)身相連，在有限元模型中將此處用MPC進(jìn)行約束，中心節(jié)點(diǎn)與襯套周圍節(jié)點(diǎn)六自由度耦合，中心節(jié)點(diǎn)固支，如圖4所示。

根據(jù)GJB67.2-85的要求，強(qiáng)度設(shè)計(jì)載荷的限制過載選擇為法向過載-3～8，依據(jù)飛行要求，本文給定航向過載、側(cè)向過載、法向過載分別為2g、3 g、8g，氣 動(dòng) 載 荷 通 過Fluent計(jì)算給出，并經(jīng)過插值以場(chǎng)的方式加載至結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上。

4 分析計(jì)算

4.1 位移分析

為了驗(yàn)證吊艙結(jié)構(gòu)的剛度，保證飛行過程中設(shè)備的測(cè)量精度，在上述載荷下，對(duì)吊艙變形及應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析，變形如圖5所示。吊艙最大變形3.52 mm，發(fā)生在吊艙底部1框靠前位置處。主掛梁作為最重要的承力結(jié)構(gòu)，還需對(duì)其變形進(jìn)行關(guān)注。由圖6可知，主掛梁最大變形1.3 mm，位置在與1框連接處。吊艙與主掛梁變形均在可接受范圍內(nèi)，變形不會(huì)影響飛行安全和艙內(nèi)設(shè)備測(cè)量精度。

圖5 吊艙結(jié)構(gòu)變形云圖

圖6 主掛梁結(jié)構(gòu)變形云圖

4.2 強(qiáng)度分析

與變形相比，吊艙的強(qiáng)度性能更為重要。由計(jì)算結(jié)果可知，天線安裝框與主掛梁受力最為嚴(yán)重，圖7、圖8給出了兩者的Mesis應(yīng)力圖。

天線對(duì)接框最大應(yīng)力127 MPa，安全系數(shù)3.3，最大應(yīng)力在與主掛梁連接處，此處為MPC連接處，會(huì)造成應(yīng)力集中，故計(jì)算結(jié)果偏于保守。主掛梁最大應(yīng)力99.8 MPa，安全系數(shù)4.2，最大應(yīng)力位置在與3框連接處，很大一部分載荷在此處傳遞給主掛梁。

圖9給出了一維梁?jiǎn)卧膽?yīng)力。其中最大拉伸應(yīng)力38.6 MPa，最大壓縮應(yīng)力38.4 MPa，位置在3框與主掛梁的連接處。按拉伸強(qiáng)度、壓縮失穩(wěn)強(qiáng)度校核公式校核均滿足強(qiáng)度要求。

圖7 天線安裝框應(yīng)力云圖

圖8 主掛梁應(yīng)力云圖

圖9 一維梁?jiǎn)卧獞?yīng)力圖

由以上分析可知，此吊艙結(jié)構(gòu)布局合理，傳力路線清楚，各部件、連接均滿足強(qiáng)度要求。

5 模態(tài)分析

飛機(jī)在飛行過程中，除了需要關(guān)注吊艙結(jié)構(gòu)的變形和強(qiáng)度外，還需關(guān)注吊艙結(jié)構(gòu)的固有頻率。若結(jié)構(gòu)固有動(dòng)力學(xué)特性不合理，在飛行過程中受外界激勵(lì)后會(huì)產(chǎn)生共振，而低階共振有著很大的能量，從而使振動(dòng)發(fā)散最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

本文分析了該吊艙及結(jié)構(gòu)的低階振型及對(duì)應(yīng)的固有頻率，分析計(jì)算計(jì)算了前3階振型及其對(duì)應(yīng)的固有頻率。計(jì)算得到的固有頻率及模態(tài)描述如表2所示，對(duì)應(yīng)的模態(tài)如圖10～圖12所示。此吊艙所掛飛機(jī)，其機(jī)翼固有模態(tài)在10Hz以內(nèi)，因此，吊艙結(jié)構(gòu)的前三階模態(tài)頻率均遠(yuǎn)小于機(jī)翼固有模態(tài)，不會(huì)發(fā)生共振。

表2 振動(dòng)模態(tài)及固有頻率 Hz

圖10 一階振型圖

圖11 二階振型圖

圖12 三階振型圖

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)載電子吊艙典型結(jié)構(gòu)，通過對(duì)吊艙結(jié)構(gòu)的三維有限元建模和強(qiáng)度、剛度分析，得到了吊艙結(jié)構(gòu)的變形云圖和各主要部件的應(yīng)力云圖，并對(duì)其進(jìn)行了振動(dòng)模態(tài)分析。通過分析得到了吊艙結(jié)構(gòu)的主要承力部件與傳力路線，結(jié)果表明框梁形式可以滿足設(shè)備安裝要求以及強(qiáng)度、剛度要求，此結(jié)構(gòu)形式為之后的吊艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 葉明,朱國(guó)征.某機(jī)載吊艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞壽命仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2016,33(3):56-60.

[2] 劉家燕,程志峰,王平.機(jī)載光電吊艙橡膠減震器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國(guó)機(jī)械工程,2014,25(10):1308-1311.