光電吊艙掛飛強度計算研究

高騰龍 唐寧 蘇秀中

摘要：光電吊艙常安裝于飛機腹部或機翼下方，用于開展導航和搜索瞄準等工作。針對某型光電吊艙，通過有限元軟件建立其高精度復雜模型并施加等同于真實飛行環境下的載荷條件及邊界條件，選取臨近飛行包線的嚴重掛飛工況對吊艙整體及關鍵承力部位進行應力應變分析，并對主承力部件進行強度校核。計算結果表明，吊艙整體在慣性載荷和氣動載荷共同作用下結構傳力合理，關鍵部件的剩余強度系數均大于1.5倍的安全系數，能夠滿足強度要求。

關鍵詞：吊艙；有限元分析；慣性載荷；氣動載荷；強度校核

中圖分類號：V243文獻標識碼： ADOI： 10.19452/j.issn1007-5453.2020.04.006

近年來，隨著國內航空航天、國防工業領域的不斷發展，諸多新型武器裝備開始投入預研和型號試制工作。機載電子吊艙作為空中平臺可以攜帶不同功能的電子設備，以實現作戰、偵察、電子干擾等目的，光電吊艙就是其中一種[1-2]。

光電吊艙常安裝于飛機腹部或者機翼的下方，用來開展導航和搜索瞄準等工作[3-4]。光電吊艙在掛飛使用階段，面臨著與飛機相同的外部環境，尤其在飛機進行大幅度機動時，吊艙承受著較大的氣動載荷和慣性載荷，因此吊艙結構必須具備足夠的強度以保證飛機的飛行安全和電子設備的正常使用。

吊艙的強度驗證通常經過強度計算和靜力試驗完成，選取臨近飛行包線的嚴重飛行工況對吊艙強度進行計算并形成靜力試驗的輸入載荷，進一步通過地面靜力試驗對吊艙強度進行驗證，飛行試驗過程中一般選取部分風險較小工況對吊艙進行掛飛驗證。強度計算的結果對靜力試驗和后續的飛行試驗都具有重要的參考價值[5]。通常對于復雜的吊艙結構，為減少計算量，使用一維梁桿單元對加強筋條進行簡化[6]，同時為保證計算結果的準確度，需要模擬吊艙與嚴重飛行工況相同的氣動載荷、慣性載荷以及約束等邊界條件[7]。

本文針對某型光電吊艙結構，采用CATIA和Hypermesh軟件建立吊艙高精度的有限元模型，通過ABAQUS對模型施加與嚴重工況中等效的載荷和邊界條件，對吊艙模型進行計算分析，得到結構整體的應力應變分布和關鍵承力部件的強度特性。

1吊艙簡介

光電吊艙整體結構如圖1所示。主體結構可以分為頭艙、電子艙和尾艙三部分，頭艙與電子艙通過高強度螺栓連接，尾艙與電子艙用鋼結構卡環連接。電子艙艙體上方布置有兩對標準的雙吊耳結構，吊耳構型及尺寸符合GJB1C規定[8]。本文使用掛距較小的雙吊耳進行強度計算。

吊艙結構的主要材料包括藍寶石、鈦合金TC4、7050-T7451鋁合金以及30CrMnSiA。具體的材料屬性及分布情況見表1和圖2，其中ρ為材料密度。

2有限元模型建立

對吊艙結構模型進行適當的簡化，在ABAQUS軟件中建立吊艙整體的有限元模型。通過添加約束、接觸命令等效各組件間的連接情況，施加載荷邊界條件模擬吊艙在飛行中所受的氣動載荷和慣性載荷。模型的總體坐標系以頭艙前罩頂點為原點，Y軸沿逆航向為正，Z軸垂直向上為正方向，X軸符合右手坐標系。

2.1模型簡化

吊艙通過電子艙上方的吊耳與防止擺動器結構與飛機掛架連接，主承力結構主要為電子艙的上下大梁及4個橫框，前后兩側的橫框分別與頭艙和尾艙相連接，上下大梁及橫框模型如圖3所示。

考慮到吊艙部件的結構及受力特性，除吊耳結構模型為實體單元，其余包括吊艙大梁、壁板等外蒙皮及橫框腹板結構均簡化為殼單元。為保證模型精度，梁及腹板等結構的筋條厚度根據CATIA數模測量得到，并將該屬性賦予對應位置的殼單元。吊艙中的電子設備等效為質量點，通過MPC約束與設備地板進行連接。小型電子元器件、環控管路及部分線纜等為非主承力結構，結構重量（質量）占比很小，因此在建模過程中不予考慮。

表2給出了吊艙主要部件的航向質心坐標以及相應有限元模型的航向質心情況。可以看到，設計質心與模型質心能夠較好地吻合，進一步驗證了有限元模型簡化的合理性。另外，吊艙的法向質心和側向質心均位于吊艙中軸線處，因此不再進行討論。

2.2邊界條件

吊艙通過吊耳和防止擺動器與飛機掛架相連，吊耳與掛架掛鉤的連接形式如圖4所示。在有限元模型中通過殼單元建立掛鉤的簡化模型，添加吊耳與掛鉤的接觸定義，用來模型吊耳及掛鉤處的受力情況。

防止擺動器通過其頂桿結構連接飛機的掛架與吊艙上蒙皮部分，用于抑制吊艙的側向擺動趨勢，其連接示意圖如圖5所示。在有限元模型中定義防止擺動器與吊艙區域的接觸形式，并在防止擺動器上施加500N預緊力模擬吊艙接觸區域的真實受力情況。

2.3載荷條件

考慮到光電吊艙的通用性，選取某型戰斗機作為吊艙的掛飛平臺。本文選取兩種較為嚴重的組合工況，綜合其慣性載荷及氣動載荷對吊艙進行計算分析，工況的高度、速度和過載見表3。其中，由于馬赫數一定時飛機飛行高度越低其航向動壓越大，吊艙的受載情況則更為嚴重，因此本文選取了高度為0的低空組合工況作為有限元強度計算中的工況1。

吊艙結構的慣性載荷通過添加重力載荷的方式施加，調整各部件的重力加速度數值添加與設計模型等效的慣性載荷。等效重力加速度彌補了部分結構件簡化導致的質量變化，加之模型質心同設計模型差異很小，因此能夠保證慣性載荷施加的精度。

3計算結果分析

在嚴重載荷工況下對吊艙開展有限元分析計算，計算結果包括各結構件上的應力應變及位移等內容，并根據計算結果，對吊艙的主承力部件進行強度校核。

3.1吊艙整體分析

吊艙整體結構在兩種工況下的應力云圖和位移云圖分別如圖6和圖7所示。從圖中可以看到，在工況1中由于具有更大的縱向和側向過載，吊艙的最大等效應力和最大位移均高于工況2中數值。另外，兩工況中的應力云圖趨勢相似，吊艙結構中的較大應力區域出現在上大梁吊耳附近、側壁板及橫框處。

3.2強度校核

飛機在飛行機動過程中，慣性載荷主要由飛機掛架經吊耳和防止擺動器傳遞給吊艙結構。在吊艙內部的應力傳遞過程中，上大梁、側壁板和橫框起主承力作用，平衡氣動載荷及飛機掛架傳遞的載荷。通過對比兩工況下的各部件的最大等效應力，發現工況1中各部件應力水平均高于工況2，因此通過工況1的計算結果對吊艙主承力部件進行強度校核。

圖8顯示了工況1下上大梁的應力云圖。可以看到上大梁的最大等效應力σmax為131.2MPa，為吊艙整體結構中的最大等效應力。由表1可知，上大梁結構材料為7050-T7451鋁合金，其屈服強度σ0.2為441MPa，通過式（3）對上大梁剩余強度系數η進行計算[12]，為3.36。

圖8分別給出了側壁板和橫框中等效應力最大的部分，其中側壁板最大等效應力為65.4MPa，橫框最大等效應力為81.1MPa。通過式（3）分別對兩者的剩余強度系數進行計算，分別為6.74和5.44。

4結論

通過建立吊艙高精度有限元模型，施加等同于嚴重工況飛行環境的載荷條件和邊界條件，對吊艙的變形和應力應變進行了分析，并對其主要承力部件結構進行了強度校核。計算結果顯示吊艙整體在慣性載荷和氣動載荷共同作用下結構傳力合理，主承力部件強度系數均大于1.5倍安全因數，滿足強度要求。另外，計算結果可為后續的靜力試驗及飛行試驗提供依據，對應力水平較高的區域進行重點關注，確保試驗的準確性和安全性。

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