劉 鵬，方澤平，于 賀，王曉鵬，程 蕾

（中國運載火箭技術(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)場快速對儀器進行更換的需求。

本文設(shè)計了一種艙內(nèi)儀器可換支架一體化結(jié)構(gòu)。通過接口設(shè)計、輕量化設(shè)計、安全性設(shè)計、人機工程設(shè)計以及有限元仿真分析等設(shè)計方法，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)計要求

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

需進行更換的儀器外形尺寸為φ130 mm×600 mm，上部有2個固定支耳，下部有2個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

儀器可換支架采用桁條—支架一體化設(shè)計，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、輕量化設(shè)計、安全性設(shè)計和人機工程設(shè)計，各部分內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)融合，使支架達到功能、重量、強度和人機工程的最優(yōu)化。

3.1 接口設(shè)計

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間和維修性，可直接影響產(chǎn)品的快速響應(yīng)時間。

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2個φ10.5 mm通孔，通過2個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)點如下：

（1）有效保證儀器安裝的重復性；

（2）可確保儀器在固定螺釘全部拆卸下來時，儀器不會掉落，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)多余物的風險。

3.2 輕量化設(shè)計

為保證彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕量化、小型化需求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，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，從而降低發(fā)動機燃料質(zhì)量，增加飛行距離，提高飛行速度。

根據(jù)輕量化設(shè)計方法和原則，儀器可換支架輕量化設(shè)計的要點如下：①采用具有強度高、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，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)計中集成化原則，艙體加強框集成了艙體窗口加強和艙體軸向承載加強的功能；④大面積安裝口蓋采用薄壁設(shè)計理念，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

結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)始終把安全性要求放在結(jié)構(gòu)設(shè)計的首位考慮。根據(jù)安全性設(shè)計要求，儀器可換支架的安全性設(shè)計要點如下：①安裝窗口采用設(shè)計圓角R60的結(jié)構(gòu)，有效預防操作人員安裝、拆卸儀器時手部和手臂的劃傷；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)計凹槽結(jié)構(gòu)，可保證在4個M8螺釘擰出后，儀器不會跌落或者滑出，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)計托板螺母，避免安裝和拆卸儀器時，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，剩余強度系數(shù)大于1.0。

3.4 人機工程設(shè)計

基于人機工程學的艙內(nèi)儀器可換支架結(jié)構(gòu)設(shè)計，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，進行支架結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮操作空間、視野與視距及操作范圍三個方面。

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)施的人機工程設(shè)計準則》，人體測量項目數(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連接螺栓；

（3）將儀器與上支架連接的兩個安裝螺栓拆卸，將下支架把手與儀器同時取出；

（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 強度計算與分析

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)點高階四面體單元，計算精度較高，可以模擬大位移和接觸問題。C3D8I為8節(jié)點非協(xié)調(diào)實體單元，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?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

采用動力學仿真分析方法進行分析。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，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，遠小于2A12鋁合金屈服強度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)果對于實際工程設(shè)計有關(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）及進一步的動力分析都很重要，因為結(jié)構(gòu)的基本頻率和模態(tài)信息能夠反映動態(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，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，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)儀器可換支架的強度和諧振頻率滿足設(shè)計要求，可有效保證飛行過程中的儀器工作正常。

5 試驗驗證

5.1 振動試驗

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

圖12 振動試驗示意圖Fig.12 Diagram of vibration test

通過分析正弦掃頻振動數(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。試驗數(shù)據(jù)與模態(tài)分析數(shù)據(jù)對比見表3。考慮到試驗件質(zhì)量分布與分析模型的偏差及試驗誤差，振動試驗數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果基本一致。

表3 振動試驗與模態(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

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

圖13 測點位置示意圖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)力測點位置對應(yīng)的分析數(shù)據(jù)為22.3 MPa，位移測點對應(yīng)的分析數(shù)據(jù)為0.19 mm?？紤]試驗件裝配間隙和試驗誤差，試驗測量結(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，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。試驗示意圖如圖14所示。

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

5.3 操作時間考核

操作技師從拆卸口蓋的第一個螺釘開始計時，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，直至最后一個螺釘擰緊后結(jié)束計時。共耗時13 min。通過實操考核摸底數(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間，無須分解艙段即可完成操作。

5.4 小結(jié)

通過試驗驗證，儀器可換支架的性能指標及試驗驗證數(shù)據(jù)滿足設(shè)計要求，如表4所示。

表4 設(shè)計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)實際需求和設(shè)計要求，設(shè)計了一種艙內(nèi)儀器可換支架結(jié)構(gòu)。同時，通過對結(jié)構(gòu)進行的仿真分析和試驗驗證，證明了該結(jié)構(gòu)滿足使用的結(jié)構(gòu)強度、變形和諧振頻率的要求。該儀器可換支架的設(shè)計，為同類支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計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)計具有良好的指導作用。后續(xù)工作將在艙內(nèi)儀器支架的系列化、產(chǎn)品化、低成本等方面進行深入研究。