肖 超，李 偉，邵 騰，叢日平

(山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治 046000)

0 引言

飛機在日常飛行中，表面經(jīng)常會接觸到風沙、灰塵、煙霧、酸霧等污染物，這不僅影響飛機的外觀，而且會對飛機表面造成不可逆轉(zhuǎn)的腐蝕傷害。飛機表面清洗作業(yè)已經(jīng)成為飛機保養(yǎng)過程中的一個重要環(huán)節(jié)[1]。

支腿是飛機清洗車的重要部件之一，應滿足強度、剛度和模態(tài)性能的要求。當一定的外載荷施加于該飛機清洗車時，其支腿系統(tǒng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形會在輸出端累積放大，支腿剛度大小會對末端定位精度、軌跡運動精度、控制精度等產(chǎn)生影響。當支腿剛度不足時，系統(tǒng)零部件會由于彈性變形過大而導致末端執(zhí)行工作器的穩(wěn)定性降低、性能變差，嚴重時可能造成其薄弱環(huán)節(jié)的損壞。因此，有必要對支腿結(jié)構(gòu)進行剛度分析。

為減小支腿重量和焊縫數(shù)量，本文利用有限元軟件對飛機清洗車后支腿結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，并分析了優(yōu)化方案的合理性。

1 后支腿結(jié)構(gòu)分析

利用UG軟件建立后支腿三維模型,如圖1所示。

圖1 后支腿模型

將后支腿三維模型導入有限元軟件[2,3]中，添加A端上表面Z方向的移動約束以及A端內(nèi)孔沿X、Y方向的移動約束；在B端施加沿Z方向的9 t集中力載荷；采用10 mm大小的網(wǎng)格劃分模型。后支腿有限元模型如圖2所示。

用有限元軟件對后支腿進行剛度分析并求解，獲得的位移和應力云圖如圖3和圖4所示。

圖2 后支腿有限元模型 圖3 后支腿Z向位移云圖 圖4 后支腿應力云圖

由圖3和圖4可知，該后支腿結(jié)構(gòu)存在如下問題：

(1) 后支腿尾部Z方向存在較大的彈性變形(最大位移為20.5 mm)，對整體系統(tǒng)的位姿調(diào)平、末端執(zhí)行器軌跡控制精度有不可忽略的影響。

(2) W型筋板所承受的最大應力值(50 MPa)遠遠小于材料本身的許用應力強度值，造成材料的浪費，并加重了支腿重量。

(3) W型筋板、內(nèi)部加強筋板數(shù)量過多，導致焊縫類型多、焊接工作量大，且焊接工藝性較差。

(4) 側(cè)位板僅在外側(cè)施焊，當支腿受力變形時起不到分擔載荷的作用，而且存在凹凸變形。

2 后支腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

后支腿是一個典型的承受重載荷的焊接結(jié)構(gòu)件，如何優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減少焊縫數(shù)量，同時滿足剛度和動態(tài)載荷性能要求是后支腿優(yōu)化設(shè)計的重要內(nèi)容，通過有限元軟件，在質(zhì)量一定的情況下，通過設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)模型、選擇合適的板厚構(gòu)件來優(yōu)化后支腿結(jié)構(gòu)。

2.1 優(yōu)化模型的建立

在有限元軟件中建立后支腿優(yōu)化模型，定義如表1所示的設(shè)計變量及取值范圍，不斷調(diào)用有限元軟件進行仿真分析并得到最優(yōu)解。各零件板厚優(yōu)化值如表2所示。

表1 設(shè)計變量值 mm

表2 各板優(yōu)化值 mm

2.2 優(yōu)化結(jié)果

在后支腿重量一定的情況下，以系統(tǒng)應力值最小為優(yōu)化目標，通過迭代計算后得到優(yōu)化后的后支腿靜力學分析結(jié)果，如圖5和圖6所示。

由圖3和圖4與圖5和圖6對比可知，優(yōu)化后的支腿結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：

(1) 后支腿尾部Z軸方向的彈性變形由20.5 mm減小到15.8 mm。

(2) 最大應力值由563 MPa減小到360 MPa，安全系數(shù)大幅增加，系統(tǒng)承載能力增強。

2.3 最終的結(jié)構(gòu)模型

最終確定的后支腿結(jié)構(gòu)如圖7所示。

(1) 內(nèi)部W型筋板轉(zhuǎn)化到外圍側(cè)板上(側(cè)板厚度變大)，焊縫數(shù)量顯著減少，降低了加工成本。

(2) 支腿轉(zhuǎn)軸處添加貼板來改善局部應力值過大；尾端添加加強筋以增強其抵抗彈性變形的能力。

(3) 側(cè)板板厚由4 mm加厚為8 mm，具有分流承載功能，加強了整體剛度性能。

(4) 兩個側(cè)板之間添加橫撐管，防止側(cè)板凹凸變形過大。

3 結(jié)語

本文將有限元分析應用于支腿結(jié)構(gòu)部件的研發(fā)設(shè)計當中，在研制初期對其進行靜力學分析并根據(jù)仿真結(jié)果對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，可以提高材料利用率，大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低研發(fā)成本。