質(zhì)量控制原則下機械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳志雄 孟祥吉 周高明 陳 靜 李開開

（中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

在航空領(lǐng)域，機體質(zhì)量對飛行器的飛行性能、飛行質(zhì)量具有重要影響[1]，質(zhì)量控制的目的一方面是保證飛行器的質(zhì)量重心可以在合理范圍內(nèi)變化，另一方面則是通過減重來提高飛行器的載重能力。而針對 我國現(xiàn)有自主研發(fā)的發(fā)動機功率落后的現(xiàn)狀，后者在我國飛行器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中的關(guān)注更為突出，這也是該文關(guān)于質(zhì)量控制討論的主要方向。質(zhì)量控制貫穿飛行器設(shè)計整個階段，而質(zhì)量控制的實施最終體現(xiàn)在機體結(jié)構(gòu)的每個零部件上，這就要求在對零部件開展結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須對零部件質(zhì)量進行嚴(yán)格控制[1-3]。在該原則前提下，開展零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)在各個階段都加入對質(zhì)量控制的考量，包括初步方案設(shè)計階段、詳細(xì)設(shè)計階段，前者主要包括設(shè)計和選擇滿足功能需求的初步結(jié)構(gòu)外形方案，后者主要包括設(shè)計滿足強度、剛度要求且工藝性、維護性等性能良好的最終結(jié)構(gòu)方案。

該文從質(zhì)量控制原則中減重的角度出發(fā)，探討了結(jié)構(gòu)合理性設(shè)計的基本思路與原則，并結(jié)合一種簡易腳踏零件的設(shè)計過程，闡釋了這種思路與原則在實際應(yīng)用中的具體體現(xiàn)，為一般的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定的思路與方法。

1 質(zhì)量控制原則下零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思路與原則

1.1 從功能需求出發(fā)，設(shè)計滿足使用要求的初步結(jié)構(gòu)方案

零件結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)首先根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能需求來確定結(jié)構(gòu)尺寸和外形，進而進行打樣設(shè)計。這就要求首先得明確功能需求，如承受荷載、傳遞動力、連接部件等，同時還需考慮零件在全局結(jié)構(gòu)中的裝配適應(yīng)性，明確零件的安裝接口以及確保零件與機上周圍結(jié)構(gòu)在工作過程中的協(xié)調(diào)[4]。在該基礎(chǔ)上開展零件的外形設(shè)計，以控制質(zhì)量為原則，選擇滿足功能需求且更省重的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

1.2 從制造和裝配出發(fā)，確保結(jié)構(gòu)具有良好的工藝性

零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果對零件的生產(chǎn)可能性、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)質(zhì)量和性能等有不可低估的影響，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)力求結(jié)構(gòu)具有良好的工藝性。所謂良好的工藝性是指結(jié)構(gòu)易于加工制造、同時便于裝配。實際生產(chǎn)過程中，結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜性、結(jié)構(gòu)精度、熱處理、設(shè)備條件等都會對工藝性產(chǎn)生影響，須充分結(jié)合這些因素對結(jié)構(gòu)的工藝性進行改進優(yōu)化。如對制造難度大的零件可以在保證裝配質(zhì)量的前提下進行簡化拆解，對裝配精度較高的零件則最好合并后整體化加工[5]。

1.3 從承載能力、變形限度出發(fā)，確保結(jié)構(gòu)滿足強度、剛度要求

工作條件下，機械零件不能發(fā)生任何形式的斷裂，也不能出現(xiàn)超出容許范圍的變形，這就要求在既定的載荷工況下，結(jié)構(gòu)必須滿足強度和剛度的要求。

為提升零件的強度與剛度，一方面可從選材入手，可選擇強度與剛度更高的材料，但通常強度與剛度越高的材料，其密度也更大，質(zhì)量代價也會更大，因此在選材時一般會根據(jù)比強度（強度與密度之比）、比模量（彈性模量與密度之比）來選擇滿足強度剛度前提下質(zhì)量犧牲更少的材料，通常金屬件里鋁合金的強度、剛度適宜且其比強度和比模量值較大，應(yīng)用較為廣泛。

另一方面可以分析結(jié)構(gòu)受力特點，通過改變零件結(jié)構(gòu)來控制應(yīng)力大小及分布，或根據(jù)應(yīng)力分布來調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，減少由于零件結(jié)構(gòu)引起的應(yīng)力集中和應(yīng)力過剩，從而達(dá)到提高零件強度、剛度和減重的目的。這要求結(jié)構(gòu)設(shè)計時遵循以下原則。1）等強度原則：調(diào)整結(jié)構(gòu)截面尺寸，使其與內(nèi)應(yīng)力變化相適應(yīng)，盡量使零件各截面強度相等，使材料盡可能得以充分利用。2）最短傳力路線原則：確定結(jié)構(gòu)受力情況，根據(jù)最短傳力路線來設(shè)計零件結(jié)構(gòu)外形，減少受力稀疏甚至不受力的結(jié)構(gòu)區(qū)域[6]。在此基礎(chǔ)上，采用理論計算、經(jīng)驗計算以及模型試驗等方法確定具體尺寸，同時可配合有限元計算的手段進行分析與校核，根據(jù)分析校核結(jié)果可再對尺寸進行調(diào)整，直到滿足要求。

1.4 其他要求

通常根據(jù)零部件不同的使用環(huán)境與狀態(tài)，在滿足以上要求后，還需根據(jù)需要滿足其他方面的要求。如對一些拆卸頻繁的零件，還需考慮零件的維護性問題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時須為拆卸工序留出足夠的操作空間；對長期暴露在空氣中的結(jié)構(gòu)，還須注意零件的防腐問題，根據(jù)不同的零件材料和使用環(huán)境采取不同的防腐措施，一般對金屬零件的防腐處理有表面鈍化、涂底漆等。

2 某直升機腳踏結(jié)構(gòu)設(shè)計的案例分析

2.1 設(shè)計背景及初步方案確定

某直升機短翼處須重新設(shè)計登機腳踏，考慮與周圍機體結(jié)構(gòu)和裝置的協(xié)調(diào)，最終采用一種懸掛式腳踏結(jié)構(gòu)，其上表面是與短翼表面蒙皮貼合，為避免與蒙皮表面凸出鉚釘墩頭干涉，腳踏上表面部分結(jié)構(gòu)被切割和打薄。腳蹬與機體間的連接沿用原腳踏與機身的3個接口，通過1個直徑10mm和2個直徑5mm的螺栓連接。腳踏結(jié)構(gòu)的初步外形設(shè)計及主要尺寸控制如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)初步方案

2.2 工藝性設(shè)計

通常，結(jié)構(gòu)一體式加工會省去裝配的許多問題，但工藝性通常比組合式的差，而且維護性也不如組合式好，因此在不影響結(jié)構(gòu)功能使用要求的基礎(chǔ)上，選取組合拼接的加工方式更好。另外，對機加零件，一般采用立銑刀進行加工，常用的立銑刀直徑與推薦的機加深度如表1。從表中可指，機加深度越大，要求銑刀直徑越大，常用銑刀直徑最大為20mm，其推薦深度為90mm，該腳踏結(jié)構(gòu)若采用一體式加工，其機加深度約為110mm，須采用更大直徑的銑刀才能加工，因此考慮設(shè)備條件的限制，不宜采用一體式加工。另外從經(jīng)濟性角度來講，整體機加要求的原材料板材的厚度約為150mm，機加的結(jié)果將導(dǎo)致腳踏中間部位大部分材料的浪費。

表1 常用銑刀直徑及其推薦深度（單位:mm）

圖2 組合式結(jié)構(gòu)

綜上，腳蹬結(jié)構(gòu)宜采用組合式加工，將腳蹬上接頭與下踏板拆分開來，利用左右2個鈑金件將二者連接，進而降低了工藝制造難度，避免了材料大量浪費，同時有利于后期對腳蹬的維護。為防止松動，連接處采用2排直徑3mm的HB6231半圓頭鉚釘。

2.3 強度與剛度設(shè)計

根據(jù)強度規(guī)范及特定要求，該腳踏結(jié)構(gòu)的載荷按2000N計算，做強度分析時，取安全系數(shù)1.5，最終設(shè)計載荷取3000N，分析過程中載荷以均布形式作用在下踏板上。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗及初步估算，腳蹬上部構(gòu)件基礎(chǔ)厚度為7mm，下部構(gòu)件厚度為6mm，連接板厚度為3mm，腳蹬零件各處倒圓角轉(zhuǎn)角6mm底角3mm。

為控制結(jié)構(gòu)質(zhì)量，選用牌號為7075的鋁合金材料，其比強度與比剛度均較為優(yōu)異。根據(jù)最短傳力路線原則，連接板的邊界應(yīng)盡量不超過傳力路線邊界（綠色直線），如圖3。從力流的分布來看，上接頭的左邊相比右邊會明顯稀疏，因此可適當(dāng)切除上接頭左邊多余結(jié)構(gòu)，使其與右側(cè)一致，充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，如圖4。

圖3 傳力路線與零件邊界

圖4 受力稀疏區(qū)域的切割

對下部踏板，考慮到使用時的防滑要求，通常的做法是設(shè)計多個凹槽，而為方便清理凹槽內(nèi)的沉積物，要求凹槽尺寸具有一定寬度或直接將凹槽打通，而這也導(dǎo)致踏板的抗彎剛度勢必減弱。通常板材結(jié)構(gòu)抗彎性能差，為控制變形，只能通過增大板材厚度，而這將導(dǎo)致質(zhì)量的明顯增加，因此可考慮改變結(jié)構(gòu)型式來提高剛度，將下部結(jié)構(gòu)板厚度減薄至1.2mm，通過在底部設(shè)計高薄立筋（高10mm，厚1.5mm）來增加抗彎剛度，同時將立筋中間區(qū)域的下部結(jié)構(gòu)打通以增設(shè)防滑功能，同時也能減輕一定質(zhì)量，如圖5。該結(jié)構(gòu)與更改前相比，質(zhì)量由0.189kg減少至0.103kg。

圖5 踏板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)上述設(shè)計后，最終的腳蹬結(jié)構(gòu)如圖6所示。利用有限元軟件MD Nastran和Patran[7]進行強度及剛度校核，在零件各個連接孔處建立Reb2類型的MPC單元，約束上接頭螺栓孔處MPC的XYZ方向的位移，建立Bar單元模擬鉚釘連接。載荷大小為3000N，作用于下踏板，設(shè)置作用方向了垂直踏板和與踏板成60°的2種工況，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)后者更加危險，得到圖7所示應(yīng)力及應(yīng)變云圖。從圖中可知最大應(yīng)力為463MPa，而7075鋁合金的屈服應(yīng)力為476MPa，應(yīng)力滿足要求。最大位移量為3.44mm，符合使用要求。對零件連接處，通過提取Bar單元及MPC單元受力，得到鉚釘及螺栓所受剪切力和軸向力，經(jīng)校核均小于鉚釘和螺栓承載能力，連接處安全。

圖6 最終結(jié)構(gòu)方案

圖7 腳踏有限元應(yīng)力與位移分析結(jié)果

綜上，最終結(jié)構(gòu)方案經(jīng)過優(yōu)化對比，其工藝性、維護性較好，避免了材料的大量浪費，經(jīng)過合理性分析和局部結(jié)構(gòu)形式更改，使材料性能得到充分利用，對質(zhì)量進行了一定控制，同時滿足了結(jié)構(gòu)在使用過程中對強度和剛度的要求，是質(zhì)量控制原則下一個比較合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

3 結(jié)語

機械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個涉及很多因素的綜合性問題，而對結(jié)構(gòu)減重是目前飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計中考量較多的因素。該文基于質(zhì)量控制原則，探討了機械零件結(jié)構(gòu)合理性設(shè)計的思路和原則，在結(jié)構(gòu)設(shè)計的初步方案設(shè)計、工藝性設(shè)計、強度與剛度設(shè)計等階段加入對質(zhì)量控制的考量，使零件產(chǎn)品在良好工藝性及實用性能的基礎(chǔ)上最大限度地提高飛行器的飛行載重能力，對飛行器零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。