電子設備機載吊艙強度及模態(tài)分析

李思潭， 鮮章林， 顏凱

（中國飛行試驗研究院試驗機設計改裝研究部，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載電子戰(zhàn)武器，已經(jīng)進入了實際應用階段[1]。機載光電吊艙是用于航空偵察的一種光電設備，通常安裝在戰(zhàn)斗機的腹部或機翼下面，用于戰(zhàn)斗機對目標的精確搜索、跟蹤和鎖定，并引導精確制導[2]。

由于機載飛行條件較為復雜，吊艙使用環(huán)境較為惡劣，故吊艙對載機的氣動、剛強度均會產(chǎn)生不利影響。機載吊艙與飛機剛性連接，吊艙結構必須具有足夠的強度和剛度，以保證艙內(nèi)設備的測量精度以及飛機的飛行安全。

本文基于CATIA設計了一種電子吊艙典型結構的三維模型，利用HyperMesh軟件建立了全尺寸有限元模型，應用MAC.NASTRAN對其進行靜力學仿真，獲得了該吊艙結構的強度、剛度特性，依據(jù)仿真結果給出了吊艙結構設計的建議。

1 吊艙結構

吊艙整體分為前整流段、后整流段和等直段3部分，通過吊耳與機翼掛架連接。吊艙由蒙皮、承力口蓋、天線罩、橫向構件、縱向構件組成，吊艙長度4620 mm，等直段直徑620 mm，框距400 mm至700 mm不等，具體構件數(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成吊艙的氣動外形，橫向構件由7個隔框組成，縱向構件由主掛梁、2個縱梁、加強長桁和普通長桁組成。橫向構件與縱向構件共同維持艙壁外形，且2隔框同時也是天線設備的安裝框。隔框、主掛梁與承力口蓋作為主承力結構，均為航空鋁材整體機加而成，設備件安裝平臺通過型材與框相連，其上搭有設備安裝板。吊艙主體結構材料選取LY12CZ，吊耳材料為30CrMnSiA，兩種材料的力學性能如表1所示。吊艙整體結構如圖1所示。

2 有限元模型的建立

以吊艙三維模型為背景，對其進行合理簡化，依據(jù)圣維南定理，簡化結果應不影響吊艙仿真結果的準確性。根據(jù)結構的具體尺寸，將蒙皮、口蓋腹板、框腹板、主掛梁簡化為二維殼單元（CQUAD4，CTRIA3），將長桁、口蓋加強筋條、縱梁、框緣條簡化為一維梁單元（CBEAM），螺栓連接用MPC模擬，艙內(nèi)設備用集中質量單元（CONM2）模擬，鉚釘連接采用節(jié)點耦合方式處理。吊艙有限元網(wǎng)格模型如圖2、圖3所示，整個吊艙結構結構重量120 kg，設備重量245 kg。吊艙有限元模型共34 765個節(jié)點，41 359個單元。

表1 材料力學性能

圖1 吊艙結構三維模型

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

掛梁通過兩個機載懸掛吊耳與機身相連，在有限元模型中將此處用MPC進行約束，中心節(jié)點與襯套周圍節(jié)點六自由度耦合，中心節(jié)點固支，如圖4所示。

根據(jù)GJB67.2-85的要求，強度設計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、側向過載、法向過載分別為2g、3 g、8g，氣 動 載 荷 通 過Fluent計算給出，并經(jīng)過插值以場的方式加載至結構網(wǎng)格上。

4 分析計算

4.1 位移分析

為了驗證吊艙結構的剛度，保證飛行過程中設備的測量精度，在上述載荷下，對吊艙變形及應力狀態(tài)進行了計算分析，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構，還需對其變形進行關注。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)，變形不會影響飛行安全和艙內(nèi)設備測量精度。

圖5 吊艙結構變形云圖

圖6 主掛梁結構變形云圖

4.2 強度分析

與變形相比，吊艙的強度性能更為重要。由計算結果可知，天線安裝框與主掛梁受力最為嚴重，圖7、圖8給出了兩者的Mesis應力圖。

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

圖9給出了一維梁單元的應力。其中最大拉伸應力38.6 MPa，最大壓縮應力38.4 MPa，位置在3框與主掛梁的連接處。按拉伸強度、壓縮失穩(wěn)強度校核公式校核均滿足強度要求。

圖7 天線安裝框應力云圖

圖8 主掛梁應力云圖

圖9 一維梁單元應力圖

由以上分析可知，此吊艙結構布局合理，傳力路線清楚，各部件、連接均滿足強度要求。

5 模態(tài)分析

飛機在飛行過程中，除了需要關注吊艙結構的變形和強度外，還需關注吊艙結構的固有頻率。若結構固有動力學特性不合理，在飛行過程中受外界激勵后會產(chǎn)生共振，而低階共振有著很大的能量，從而使振動發(fā)散最終導致結構破壞。

本文分析了該吊艙及結構的低階振型及對應的固有頻率，分析計算計算了前3階振型及其對應的固有頻率。計算得到的固有頻率及模態(tài)描述如表2所示，對應的模態(tài)如圖10～圖12所示。此吊艙所掛飛機，其機翼固有模態(tài)在10Hz以內(nèi)，因此，吊艙結構的前三階模態(tài)頻率均遠小于機翼固有模態(tài)，不會發(fā)生共振。

表2 振動模態(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 結論

本文設計了一種機載電子吊艙典型結構，通過對吊艙結構的三維有限元建模和強度、剛度分析，得到了吊艙結構的變形云圖和各主要部件的應力云圖，并對其進行了振動模態(tài)分析。通過分析得到了吊艙結構的主要承力部件與傳力路線，結果表明框梁形式可以滿足設備安裝要求以及強度、剛度要求，此結構形式為之后的吊艙結構設計提供了參考。

[參 考 文 獻]

[1] 葉明,朱國征.某機載吊艙結構強度與疲勞壽命仿真研究[J].計算機仿真,2016,33(3):56-60.

[2] 劉家燕,程志峰,王平.機載光電吊艙橡膠減震器的設計與應用[J].中國機械工程,2014,25(10):1308-1311.