EWIS支架裝配變形及其承載分析

嚴文軍

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

民用飛機支架分布全機，用于安裝系統設備、管路和線纜等，其中以Electrical Wiring Interconnection System(簡稱EWIS)——電氣線路互聯系統的分布最為廣泛，相應的安裝支架及其安裝要求多樣[1]。EWIS系統一般通過卡箍和螺栓安裝在支架上，由于線纜和支架遍布全機，安裝環境復雜，對于機上空間狹小或接近困難的區域，對于安裝形式和工具的使用有特殊的要求。為了便于操作并考慮維修性要求[2]，需要考慮單面裝配等要求，且線纜裝配過程中支架不易固定，可能導致支架承受裝配引起的額外載荷。

由于線纜一般重量比較輕，安裝支架受載較小，因此EWIS支架設計尺寸和厚度都較小。在實際線纜裝配過程中，出現較多由于人為操作不當原因，裝配時未固定好支架，導致支架在裝配線纜后出現塑性變形。在沒有規定螺栓安裝力矩的情況下，螺栓和螺母的裝配扳手均沒有標準的安裝力矩值，安裝時僅憑經驗或感覺進行裝配，一般要螺母擰不動才算擰緊[3]，也會造成支架出現塑性變形，影響支架正常承載。因此，有必要對EWIS線纜的裝配過程進行分析，確定安裝力矩對支架的影響，評估支架塑性變形對支架的承載影響，為支架設計及完善工藝規范提供指導[4]。

1 EWIS支架螺栓安裝分析

1.1 支架結構及線纜安裝形式

EWIS系統安裝支架一般結構形式較為簡單，由于數量較多，多采用形狀簡單的標準支架，以L型和Z型等居多，不同規格的支架尺寸和厚度不同，以適用于不同線纜類型和安裝環境。民用飛機上EWIS線束通常通過P型卡箍固定，用以承擔線束的重量并確保其預定安裝位置的支撐，卡箍再通過系統支架與機體結構相連，支架則連接在機體結構上[5]，如圖1所示。裝配過程中，一般系統支架先安裝在機體結構上，線纜安裝時，需將線纜卡箍裝配在支架上，通過擰緊螺栓完成線纜裝配。在螺栓擰緊過程中，如果操作不當，可能出現螺栓擰緊力矩由支架承受的情況，導致支架受到裝配載荷作用而出現變形，載荷較大時，可能出現塑性變形甚至發生斷裂。

圖1 EWIS線束安裝示意圖

1.2 材料彈塑性

針對支架出現塑性變形的情況，支架承受安裝力矩的分析中需要考慮材料的彈塑性變形特性。金屬材料在彈性段時彈性模量為常數，應力超出材料屈服應力后，開始表現出非線性特性[6]，剛度會顯著下降，卸載后會產生不可恢復的塑性應變。

采用ABAQUS進行建模，定義材料的塑性需使用真實應力和塑性應變。可以利用公式把塑性材料的名義應力和名義應變數據轉換為真實應力和真實應變。轉換公式如下[7]：

εtrue=In(1+εnorm)

(1)

σtrue=σnorm(1+εnorm)

(2)

εpl=εtrue-σtrue/E

(3)

式中：εtrue——真實應變；

εnorm——名義應變；

σtrue——真實應力；

σnorm——名義應力；

εpl——塑性應變；

E——楊氏模量。

EWIS安裝支架大都使用鋁合金材料，以2024-T42材料為例，通過查詢材料手冊得出其力學性能[8]，并通過上述公式計算，可得出其真實應力和塑性變形。選取9個點來描述材料應力應變曲線，材料屈服時，其塑性應變為0，如表1所示，其曲線如圖2所示。

表1 2024-T42材料性能數據

在ABAQUS中定義材料屬性時，輸入真實應力和塑性應變數據，可實現結構的非線性分析，以精確模擬結構受載下的變形結果。

1.3 安裝力矩作用的有限元模擬

考慮到EWIS系統線纜重量一般都比較輕，對于安裝結構的承載能力要求較低，為了降低制造的成本、采購成本和保證EWIS系統安裝結構的規范性及模塊化，民用飛機EWIS系統安裝采用了大量的標準安裝支架。選取典型的L型EWIS線纜安裝標準支架為例，對其在安裝力矩作用下的結構應力和變形情況進行分析，以評估安裝力矩對支架結構的影響。選取的L型支架為2024-T42材料的鈑金件，厚度為1.27 mm，尺寸如圖3所示，翻邊處可進行锪窩，以增加支架剛度。支架上部安裝孔為線纜卡箍安裝處，安裝力矩通過此安裝孔傳遞到支架上，底部為與機體結構安裝孔位置。

圖3 典型L型支架示意圖

采用ABAQUS軟件對安裝力矩的施加進行模擬，對支架進行有限元建模，在卡箍安裝處施加力矩，在與機體連接處施加約束。力矩載荷施加時，先將載荷施加到最大值，然后將載荷降為0，以模擬安裝力矩施加和安裝結束過程。

2 塑性變形和殘余應力

選取安裝力矩為2.25 N·m、2.5 N·m、3 N·m、3.5 N·m、4 N·m五種載荷情況進行分析，模擬支架裝配和卸載過程，得出支架在不同安裝力矩下的最大應力、卸載后的殘余應力和塑性變形。支架受安裝力矩作用后，最大變形處一般為支架安裝面邊緣，但實際裝配過程中，比較容易測量的是支架轉角處的塑性變形，因此本文中塑性變形統計轉角處(如圖6)的最大變形結果。

通過計算，不同安裝力矩下的計算結果如表2所示，塑性變形隨力矩變化曲線如圖4所示，3.5 N·m工況下裝配應力云圖、塑性變形云圖和殘余應力云圖分別如圖5到圖7所示。

表2 不同安裝力矩下的計算結果

圖4 塑性變形隨力矩變化曲線

圖5 力矩3.5 N·m工況下裝配應力云圖

圖6 力矩3.5 N·m工況下塑性變形云圖

圖7 力矩3.5 N·m工況下殘余應力云圖

從表2中可以看出，這幾種力矩作用下，結構均進入塑性變形段，卸載后，產生了殘余應力和塑性變形。彎曲力矩超過3 N·m后，塑性變形開始顯著增加，超過3.5 N·m后，急劇增加，這與圖3中的應力應變曲線是一致的。由此可見，裝配應力會對支架結構產生較大影響，可能產生塑性變形，嚴重的甚至可導致結構破壞。

對于尺寸較長的支架，由于剛度較弱，如果承受的安裝力矩過大，可能產生較大的塑性變形和殘余應力。可以通過非線性有限元方法來分析安裝力矩的影響，在分析標準支架的承載能力時考慮安裝環境，考慮可能的緊固件安裝力矩，以確定安裝工藝或使用區域的要求。

3 塑性變形后承載分析

3.1 支架的載荷分析

EWIS支架承受線纜重量載荷，需考慮飛行過程中線纜產生的慣性載荷作用[9]。EWIS線纜重量較輕，標準支架承受線纜重量一般小于300 g。以線纜重量300 g計算，慣性載荷系數取為各向9 g[10]，支架承受的慣性力為26 N，慣性力作用在線纜卡箍安裝處。

3.2 變形后承載分析

選取安裝力矩3.5 N·m工況來分析支架塑性變形后的承載能力，在結構塑性變形的基礎上分別在各方向施加慣性力，得到結構變形后受載的應力結果,并與支架未發生塑性變形，只承受慣性載荷情況的結構應力進行對比，如表3所示。

支架靜強度分析中，得出Von Mises應力后，一般可采用材料的拉伸強度σb作為結構破壞的許用值，2024-T42材料的拉伸強度為406 MPa[8]，從而得出變形后支架承載的安全裕度，如表3所示。

表3 系統支架塑性變形前后受載的最大應力結果

從表中可以看出，支架只承受慣性載荷下產生的應力水平較小，在存在塑性變形和殘余應力狀態下，仍可承受一定的載荷。但是，存在塑性變形的支架繼續受載時，應力水平比未變形支架高很多，安全裕度較低，更容易產生破壞，因此裝配過程中需避免支架塑性變形的產生。

4 結論

1)采用非線性有限元方法，對支架裝配過程進行了分析，得出了結構的殘余應力和塑性變形，可評估安裝力矩對支架的影響，確定安裝力矩及工藝要求。對于尺寸較長的支架，由于剛度較弱，需制定防范措施和安裝要求，避免支架承受過大的安裝力矩而產生塑性變形。

2)對支架塑性變形后的承載進行了分析，可用于支架變形后的承載強度評估，并得出了塑性變形對結構承載能力的影響。塑性變形和殘余應力對支架結構承載能力有較大影響，支架出現塑性變形后，承載后應力急劇增大，嚴重影響其承載能力。

3)按照非線性分析方法，可對支架安裝變形進行分析，并分析其變形后的承載能力，可用于支架變形問題的處理和評估。

4)在支架設計過程中，由于安裝力矩一般根據安裝螺栓的直徑來確定，因此需要使支架與安裝螺栓大小和牌號相匹配，以避免安裝變形的產生。

5)EWIS支架在使用和安裝過程中的載荷情況復雜，操作過程中還可能存在人為按壓、碰撞等載荷，存在各種不確定性的載荷，設計中需要對這些場景進行分析，并參考相關的操作手冊，確定安裝和使用中可能遇到的載荷，在設計中考慮這些載荷的影響，以支持EWIS支架和標準支架的設計。