某型飛機地板網格保型架轉軸接頭強度分析

付慧橋，丁先良，于德俊，王 莉

（1.航空工業江西洪都商用飛機股份有限公司，江西 南昌，330095；2.航空工業洪都，江西 南昌，330095）

0 引言

某型飛機地板網格保型架（下面簡稱“保型架”）由客艙地板網格翻轉架（下面簡稱“翻轉架”）帶動從而將客艙地板網格從垂直狀態翻轉至水平狀態，并運輸至下一站位。翻轉架由一個減速器和一個支撐架構成，減速器將人工輸出的力矩轉化為輸出接頭上的扭矩，輸出接頭將扭矩傳遞給連接在翻轉架上的翻轉架輸入轉軸接頭（下面簡稱“轉軸”），使保型架繞軸轉動。

1 結構分析

如圖1 所示，為保型架及轉軸結構示意圖。保型架兩端分別為輸入轉軸接頭及支撐轉軸接頭，其中輸入轉軸接頭連接翻轉架，傳遞力矩，帶動并支撐保型架翻轉，支撐轉軸接頭用于保型架翻轉時起到支撐作用[1]。

圖1 保型架及轉軸結構示意圖

如圖2 所示，輸入轉軸接頭由轉軸及轉軸固定板焊接組成，焊接固定板上開有8 個螺栓孔及2 個圓柱銷孔，用于與保型架連接。

圖2 輸入轉軸接頭結構示意圖

2 受力分析

為確保工人能夠安全可靠地完成整個翻轉過程，假定翻轉時翻轉啟動力不大于10kg，即平穩力（F1）和增量推力（F2）之和不大于10kg：

翻轉軸半徑r=45mm，摩擦系數s=0.15，保型架和客艙地板網格總重量m=4570kg。

支座承受的壓力為：

機身客艙地板網格克服摩擦力繞翻轉軸輸出扭矩為：

減速器傳動比為i=47.5，減速器傳動效率70%，

手動搖桿端所需輸出力矩為：

搖臂長L=225mm，為克服摩擦力的搖臂輸入載荷為：

由F1+F2＜10kg 可知，用于加速的增量推力（F2）需滿足：F2≤5.88kg

取F=5.88kg，減速器傳動效率70%，搖臂長L=225mm。 則搖臂有效輸入扭矩為：

減速器傳動比為i=47.5，后機身客艙地板網格繞翻轉軸輸出扭矩為：

在保型架啟動時，聯軸器同時承受摩擦力矩和啟動力矩，故聯軸器承受的最大力（扭）矩為：

轉軸承受的最大載荷為保型架和客艙地板網格最大重量（m=4570kg），由于保型架和客艙地板網格由兩個轉軸支持。故單側輸入轉軸接頭承受的外載為：

3 結果分析及結構優化

利用ABAQUS 軟件建立有限元分析模型，首先將CATIA 建立的三維模型導入至ABAQUS 中，然后在ABAQUS 中完成模型建立，施加上述分析中的約束、受力情況，并進行仿真分析。

3.1 轉軸強度校核

進入ABAQUS 的job 模塊[2]，提交分析，即可提取應力分析結果。中心轉軸最大變形為1.49mm，如圖3 所示；最大復合應力為156MPa，如圖4 所示。中心轉軸材料為45#鋼，熱處理至σb=600MPa，按工裝強度設計要求，安全系數應不小于3，中心轉軸抗扭安全余量為：

圖3 轉軸變形云圖

圖4 轉軸應力云圖

轉軸強度滿足要求。

3.2 轉軸與轉軸固定板焊接強度校核

保型架中心轉軸與轉軸固定板焊接，結構示意圖如圖5 所示，有限元模型如圖6 所示。

圖5 轉軸與轉軸固定板焊接示意圖

圖6 轉軸與轉軸固定板有限元模型

焊縫計算強度條件為：

式中：σ—焊縫的工作正應力，MPa；

σb—焊件基本材料的抗拉強度，MPa；

Sb—焊縫的破壞正應力，MPa；

K1—焊縫的強度削弱系數；

τ—焊縫的工作剪應力，MPa；

τf—焊縫的破壞剪應力，MPa；

K2—焊縫的拉剪系數。

有限元分析結果如圖7 和圖8 所示，其中圖7 為焊縫拉應力云圖，焊縫最大拉應力為:

圖7 轉軸及固定板焊縫正應力云圖

圖8 轉軸及固定板焊縫剪應力云圖

σ=81.7MPa；

圖8 為焊縫剪應力云圖，焊縫最大剪應力為:

τ=46.3MPa。

保型架中心轉軸與轉軸固定板材料為45# 鋼，熱處理至σb≥600 MPa，焊縫的強度削弱系數K1=0.9，焊縫許用拉應力為：

按工裝強度設計要求，安全系數應不小于3，焊縫受拉安全余量為：

焊縫的拉剪系數K2=0.6，焊縫許用剪應力為：

按工裝強度設計要求，安全系數應不小于3，焊縫受剪安全余量為：

保型架中心轉軸與轉軸固定板焊接強度滿足要求。

3.3 轉軸固定板與連接板1 連接強度校核

轉軸固定板與連接板1 通過10 個螺栓（銷釘）連接，其中8 個螺栓直徑為16mm，2 個銷釘直徑為16mm，各連接件材料均為45#鋼，熱處理至σb≥600MPa, τb=420MPa。

轉軸固定板與連接板1 結構示意圖如圖9 所示，有限元模型如圖10 所示。其中8 個螺栓承受拉力，2個銷釘承受剪力。8 個受拉的螺栓使用桿元模擬，2 個銷釘使用MPC 模擬。

圖9 轉軸固定板與連接板1 結構示意圖

圖10 轉軸固定板與連接板1 有限元模型

經分析可知，轉軸固定板與連接板1 連接區最大復合應力為106MPa，如圖11 所示；最大變形0.743mm，如圖12 所示。直徑為16mm 的螺栓最大拉力為P=7502.68N，16mm 銷釘承受的最大剪力為Q=13727.55N，如圖13 所示。

圖11 轉軸固定板與連接板1 連接區應力云圖

圖12 轉軸固定板與連接板1 連接區變形云圖

圖13 轉軸固定板與連接板1 連接螺栓載荷

按工裝強度設計要求，安全系數應不小于3，轉軸固定板與連接板1 連接區安全余量為：

轉軸固定板與連接板1 連接區強度滿足要求。16mm 螺栓破壞拉力為：

按工裝強度設計要求，安全系數應不小于3，16mm螺栓受拉安全余量為：

16mm 螺栓受拉強度滿足要求。

16mm 銷釘破壞剪力為：

16mm 銷釘受剪強度滿足要求。

4 結語

對飛機地板網格輸入轉軸接頭進行了受力分析，利用ABAQUS 軟件建立了地板網格輸入轉軸接頭的有限元分析模型，分析了轉軸強度、轉軸與轉軸固定板的焊接強度以及轉軸固定板與保型架的連接強度。根據分析結果可知，該設計滿足強度要求。