軍用飛機工作梯結構優化設計與有限元分析

孫 杰，孔繁霽，劉本剛,2

(1.沈陽飛機工業(集團)有限公司,遼寧 沈陽 110034；2.中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

隨著軍用航空裝備功能和性能的跨越發展，對地面保障設備提出了更高、更多的要求。然而，由于目前軍用飛機地面保障設備相對于航空裝備發展滯后，產品研制缺乏創新，導致地面保障設備通用性差、品種越來越多[1]，無法適應新一代軍用航空裝備快速更新和改型的發展需要。針對上述問題，軍用飛機地面保障設備通用化、系列化發展將是解決該問題的有效途徑[2]。

本文以某型飛機1.5 m工作梯研制為例，根據軍方綜合保障設備通用化、小型化、系列化工作的要求[3]，在基于經驗設計的基礎上，開展了工作梯主體結構的輕量化設計，并利用有限元分析軟件進行了結構穩定性和強度校核分析。在此基礎上，開展了可靠性試驗和外場綜合評定，結果表明該工作梯功能和結構耐沖擊等性能均滿足軍方要求。

1 軍用飛機工作梯結構設計

1.1 輕質結構設計方案

本文研制的1.5 m工作梯結構設計方案如圖1所示，采用人字梯架結構，主體材料為鋁合金，由梯架、梯蹬支撐臂、連桿、外伸觸點和輪子組成。梯架實現上下工作梯的功能，踏板式梯蹬采用鋁合金鈑金結構，帶有凸邊孔起防滑作用，安裝有平梯腳，使工作梯與地面接觸良好，穩定可靠。支撐臂使工作梯展開后具有足夠的穩定性和抗傾翻能力，也安裝有平梯腳，使工作梯與地面接觸良好，穩定可靠。連桿用于梯架和支撐臂間的連接，形成穩定的三角形結構，固定工作角可避免工作梯擺動。工作平臺一側安裝有帶彈簧和橡膠墊的外伸觸點，當工作梯意外與飛機接觸時，能夠避免造成機體表面的劃傷和隱身材料的損壞。輪子能夠方便工作梯在折疊狀態或工作狀態的短程移動。

1-梯蹬1；2-梯蹬2；3-梯蹬3；4-梯蹬4；5-工作平臺；6-外伸觸點；7-支撐臂；8-連桿；9-梯架

1.2 基本設計參數

結合同類產品研制經驗，并經初步計算、校核，本文研制的1.5 m工作梯的主要設計參數如下：

工作狀態外廓尺寸(mm)：1 398×1 115×1 690；

折疊狀態外廓尺寸(mm)： 1 880×1 115×400；

工作平臺高度(mm)： 1 500；

工作平臺尺寸(mm)： 600×300；

梯蹬尺寸(mm)： 140×600；

負載能力(kg)： 200；

自重(kg)： 14.3。

1.3 穩定措施

為保障1.5 m工作梯工作(展開)時的穩定性，主體結構采用梯架、支撐臂和連桿構成穩定的三角形結構形式，并固定工作角，避免工作梯擺動，確保工作梯穩定可靠，并具有足夠的抗傾翻能力。同時，為保障工作梯與地面接觸良好，不發生打滑現象，梯架和支撐臂下部安裝有平梯腳(航空標準件，17HB1856—2000)。

1.4 外伸觸點

為避免工作梯意外與飛機接觸時造成機體表面的劃傷，1.5 m工作梯在工作平臺前端安裝有帶彈簧和橡膠墊的外伸觸點。現有產品外場使用過程中，發現外伸觸點的安裝接口處長圓孔易進沙塵，而使得外伸觸點工作時發生卡滯，磨損嚴重。現經改進，將長圓孔設計在外伸觸點上，外場試驗表明可以起到防沙塵作用。

1.5 折疊設計

1.5 m工作梯具有整體折疊的功能，通過連桿上設計的折疊機構實現。折疊機構由一組雙孔耳片組成，下孔連接螺栓形成鉸接，上孔連接止動銷用于固定，折疊時打開連桿的止動連接，向上收起連桿，支撐臂自然向梯架靠攏，完全收起后，用止動銷將連桿固定在鎖緊耳片上，達到折疊狀態。反之，可以將工作梯展開至工作狀態。折疊過程簡單，無需使用工具。

1.5.1 工作梯的展開

1.5 m工作梯處于折疊狀態時，通過如下方法將工作梯展開：①取出工作梯，拆掉防護包裝和系縛繩帶；②將鎖緊耳片處的快速止動銷拔下，按圖2(a)所示沿箭頭方向打開工作梯至圖2(b)所示狀態，將快速止動銷插好即可。

圖2 1.5 m工作梯展開示意圖

1.5.2 工作梯的折疊

長時間不使用工作梯或遠距離運輸，為節約貯存和運輸空間將工作梯按如下方法折疊：①將連桿處的快速止動銷拔下，按圖3(a)所示沿箭頭方向折疊工作梯至圖3(b)所示狀態，將快速止動銷插到鎖緊耳片處即可；②如果運輸或貯存有特別要求，可為工作梯做防護包裝。

圖3 1.5 m工作梯折疊示意圖

1.6 工作梯的使用和移動

使用工作梯進行維護工作時，按以下步驟進行：

(1)工作梯處于工作狀態下移動時，抬起工作梯梯架一側(如圖4(a)所示)，移動工作梯至適當的位置。

(2)折疊狀態下工作梯也可實現短距離移動，抬起工作梯梯架一側(如圖4(b)所示)，移動工作梯至適當的位置。

圖4 1.5 m工作梯移動示意圖

(3)到達所需位置時將梯架一側放下，使梯腳與地面良好接觸，檢查工作梯處于穩定狀態，止動銷連接良好，可以上下工作梯進行維護工作。

2 有限元分析

在1.5 m工作梯設計過程中，采用有限元分析方法對其零部件及整體結構進行了強度校核，對設計的薄弱部位改進，確保結構設計的合理性與準確性。

2.1 整體結構分析

采用MSC.Patran/Nastran軟件對工作梯主體結構的強度進行有限元建模分析。

要求1.5 m工作梯在工作狀態下承受1個人以及操作工具(共200 kg)載荷，將安全系數設定為3。工作梯所使用材料為鋁合金LF6,其抗拉強度σb為314 MPa，屈服強度σ0.2為147 MPa。1.5 m工作梯有6種加載工況：工況1為在梯蹬1加載200 kg；工況2為在梯蹬2加載200 kg；工況3為在梯蹬3加載200 kg；工況4為在梯蹬4加載200 kg；工況5為在工作平臺前部加載200 kg；工況6為在工作平臺后部加載200 kg。

1.5 m工作梯結構在有限元中簡化為板桿結構，部分連接部位設置為鉸接，建模過程省略了最上層的扶手結構。在MSC.Patran中建立的有限元模型如圖5所示。

圖5 1.5 m工作梯有限元模型

提交MSC.Nastran進行計算，讀入結果到MSC.Patran中進行后處理。其中載荷為6 000 N，6種工況下的最大應力見表1。

表1 6種工況加載條件下的最大應力 MPa

2.2 壓桿穩定性校核

支撐臂在各種工況下均受壓，連桿在部分工況下受壓，但連桿承受壓力極小，不存在壓桿失穩情況，因此只考慮支撐臂即可。參考飛機設計手冊第9冊進行壓桿穩定性校核[3]，6種工況下支撐臂桿件受到的壓力如表2所示。

表2 6種工況下支撐臂桿件受到的壓力 N

工作梯支撐臂桿件有效長度L=942 mm、桿件端部支持系數C=1、桿件外半徑R1=14 mm，桿件內半徑R2=12.5 mm，材料的彈性模量E=70 000 MPa，壓桿截面慣性矩I=10 997.096 m4，計算得臨界載荷Fcr=8 561.976 N。

支撐臂桿件的最大載荷為2 126 N，小于臨界載荷Fcr=8 561.976 N，故滿足穩定性要求。

2.3 連接結構的強度校核

工作梯的主要連接形式為耳片連接，耳片受壓的情況下僅考慮開孔的擠壓強度即可，耳片受拉情況下按飛機設計手冊第9冊方法校核其抗拉強度。

支撐臂桿件受力較大，校核支撐臂與梯架主體處的連接耳片。連桿在各種工況下受力都比較小，若支撐臂與梯架主體處的連接耳片強度滿足要求，則連桿兩端的接頭耳片強度滿足。

接頭處受到的最大壓力為2 126 N，結合耳片尺寸計算得到最大擠壓強度為32.41 MPa，耳片孔的擠壓強度小于使用材料的擠壓強度極限，滿足強度要求。

2.4 分析結果

通過強度分析，所有結構的靜強度和穩定性均滿足設計技術要求，表明工作梯結構能夠滿足強度設計的要求。

3 結語

經外場綜合評定表明，本文設計的1.5 m工作梯性能優良，性價比高，完全符合軍方招標技術要求，而且有效地改進并提升了空軍地面保障設備的功能與性能水平。