某型無(wú)人機(jī)掛傘座的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和分析

陳剛，辛尊，張曉木

(南京模擬技術(shù)研究所，江蘇 南京 210016)

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某型無(wú)人機(jī)掛傘座的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和分析

陳剛，辛尊，張曉木

(南京模擬技術(shù)研究所，江蘇 南京 210016)

摘要：基于結(jié)構(gòu)有限元法，針對(duì)某型無(wú)人機(jī)掛傘座進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)和分析。通過(guò)掛傘座底座安裝螺栓孔布局的調(diào)整和座底厚度的增加，使掛傘座和安裝螺栓的受力得到較好地改善，但是只有部分安裝螺栓得到充分利用和發(fā)揮；通過(guò)載荷傳遞路徑的改進(jìn)，不僅使掛傘座和安裝螺栓的受力得到較好的改善，而且使所有安裝螺栓得到充分利用和發(fā)揮。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，在結(jié)構(gòu)質(zhì)量基本不變的情況下，掛傘座最大應(yīng)力值減小76.9%；安裝螺栓應(yīng)力值減小了52.7%，受力改善顯著。

關(guān)鍵詞：掛傘座；孔布局；載荷傳遞路徑；最大應(yīng)力

0引言

某型無(wú)人機(jī)原方案的掛傘座在機(jī)身框結(jié)構(gòu)前側(cè)，通過(guò)6個(gè)Φ5螺栓連接；傘繩與掛傘座上的橫向螺栓連接，并通過(guò)橫向螺栓將開(kāi)傘力傳遞到掛傘座結(jié)構(gòu)上。掛傘座和框結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1　掛傘座在框前側(cè)

圖2　掛傘座結(jié)構(gòu)

根據(jù)該型無(wú)人機(jī)的使用情況和試飛工作人員的建議，把掛傘座由框前側(cè)移到其后側(cè)，以便于傘包的安放和彈射。把掛傘座直接對(duì)稱到框后側(cè)的結(jié)構(gòu)初始方案，稱為方案I，如圖3所示。

圖3　方案I的掛傘座在框后側(cè)

無(wú)人機(jī)彈出回收傘的方向指向后側(cè)，與機(jī)身縱向軸線的夾角在15°～30°范圍內(nèi)，其大小約為17640N。當(dāng)掛傘座在框的前側(cè)時(shí)，由于框的接觸支撐而傳遞相當(dāng)大部分的力，所以連接螺栓的受力較?。坏?dāng)掛傘座移到框的后側(cè)時(shí)，由于失去框的接觸支撐而只通過(guò)螺栓傳力，則連接螺栓的受力較大。因此，需要對(duì)后者的掛傘座結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析和必要的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)[1]。

本文主要選擇15°和30°方向開(kāi)傘力的工況，在方案I的基礎(chǔ)上，使用結(jié)構(gòu)有限元法[2]，對(duì)掛傘座螺栓孔布局和載荷傳遞路徑，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和分析，以改善掛傘座結(jié)構(gòu)及其連接螺栓的受力。

1有限元計(jì)算模型

掛傘座和框結(jié)構(gòu)連接區(qū)域是主要的受力區(qū)域，采用Hex8網(wǎng)格劃分；框的其余結(jié)構(gòu)部分采用Tet4網(wǎng)格劃分；掛傘座和框結(jié)構(gòu)的連接螺栓使用剛性MPC模擬，如圖4所示的方案II掛傘座和框結(jié)構(gòu)連接區(qū)域網(wǎng)格剖視圖?？蚪Y(jié)構(gòu)材料為硬鋁合金，掛傘座材料為30CrMnSiA。

圖4　方案II掛傘座和框結(jié)構(gòu)連接區(qū)域網(wǎng)格剖視圖

載荷：在掛傘座橫向螺栓的軸線中點(diǎn)處施加集中力載荷，并通過(guò)RBE3多節(jié)點(diǎn)約束，把集中力載荷向掛傘座的兩側(cè)掛耳分布傳遞，如圖5所示。約束為固支框的邊緣。

圖5　用RBE3施加分布載荷(方案II掛傘座)

2孔布局改進(jìn)方案的計(jì)算和分析

孔布局改進(jìn)方案的計(jì)算，均是在15°開(kāi)傘力工況下的線性靜力計(jì)算。

圖6是方案I的掛傘座應(yīng)力云圖；其最大應(yīng)力為2130MPa，在上排、側(cè)孔的邊緣處。

圖6　方案I的掛傘座應(yīng)力云圖

從圖6中可知，掛傘座的受力主要集中在上側(cè)，而下側(cè)的受力比較小。據(jù)此，方案II在方案I基礎(chǔ)上，減去第3排孔，而在中間加一列孔，即2排3列的孔布局方案。

圖7是方案II的掛傘座應(yīng)力云圖；其最大應(yīng)力為1200MPa，仍在上排、側(cè)孔的邊緣處。與方案I相比，方案II的最大應(yīng)力減小930MPa，相對(duì)減小43.7%，說(shuō)明孔布局的改進(jìn)效果較好。

圖7　方案II的掛傘座應(yīng)力云圖

但是方案II的應(yīng)力仍然較大，不能滿足強(qiáng)度要求。為此，把方案II的掛傘座底座加厚1.0mm，稱為方案III。圖8為方案III的掛傘座應(yīng)力云圖，其最大應(yīng)力為828MPa，仍在上排、側(cè)孔的邊緣處。計(jì)算結(jié)果表明，加厚掛傘座底座1.0mm對(duì)其受力改善效果明顯，已經(jīng)滿足強(qiáng)度要求。

圖8　方案III的掛傘座應(yīng)力云圖

方案I～方案III的計(jì)算結(jié)果表明，把掛傘座螺栓孔布局從3排2列改成2排3列的形式，并把掛傘座厚度增大1.0 mm，掛傘座最大應(yīng)力降低顯著，從2130 MPa降低到828 MPa，相對(duì)減小了61.1%。同時(shí)，質(zhì)量略有減小，從188.7 g減到176.5 g?？傮w上，在質(zhì)量基本不變的情況下，螺栓孔布局的改進(jìn)和掛傘座底座厚度的增加對(duì)掛傘座的受力改善較為顯著。

但是，方案III的下排孔處應(yīng)力及對(duì)應(yīng)的螺栓受力(見(jiàn)下節(jié)的表1)仍然較小，特別是下排螺栓的軸向力非常小，且計(jì)算結(jié)果顯示為受壓。此問(wèn)題說(shuō)明，掛傘座仍然有需改進(jìn)的地方，所以，下節(jié)將針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算和分析。

3載荷路徑改進(jìn)方案的計(jì)算和分析

掛傘座為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，受到對(duì)稱載荷的作用，因此，可以把掛傘座的受力簡(jiǎn)化為上、下螺栓孔處平動(dòng)自由度被約束，開(kāi)傘力F(見(jiàn)圖9)作用的平面受力結(jié)構(gòu)。根據(jù)力矩平衡原理，開(kāi)傘力F的理想作用線應(yīng)通過(guò)上、下螺栓孔的中點(diǎn)處，以使上、下螺栓受力均等。

圖9　掛傘座受力和確定載荷作用點(diǎn)示意圖

而實(shí)際情況，開(kāi)傘作用力的方向在15°～30°范圍內(nèi)。據(jù)此，逆向思考，可確定橫向螺栓孔的中心點(diǎn)。方法如下：首先，在掛傘座的左側(cè)確定上、下螺栓孔的中點(diǎn)O，如圖9所示；然后，過(guò)點(diǎn)O分別作與水平軸線成15°和30°射線，則這兩射線所圍成的扇形區(qū)域是掛傘座橫向螺栓孔中心點(diǎn)的確定區(qū)域。此中心點(diǎn)的確定原則是，盡量使其在扇形區(qū)域的角平分線上。

圖10和圖11分別為方案IV在15°方向和30°方向開(kāi)傘力工況下的線性靜力計(jì)算的應(yīng)力云圖結(jié)果。

圖10　方案IV的掛傘座應(yīng)力云圖(15°方向開(kāi)傘力工況)

圖11　方案IV的掛傘座應(yīng)力云圖(30°方向開(kāi)傘力工況)

從圖10可知，載荷15°方向時(shí)，掛傘座最大應(yīng)力為492MPa，在上排、側(cè)孔邊緣處。說(shuō)明橫向螺栓孔中心點(diǎn)的確定方法是可行、有效的。

從圖11可知，載荷方向?yàn)?0°時(shí)，掛傘座最大應(yīng)力為478MPa，在掛傘座的橫向螺栓孔處(載荷與橫向螺栓孔相切處)，此處應(yīng)力比實(shí)際偏大，是因?yàn)榉植驾d荷直接作用于此孔的半側(cè)，導(dǎo)致部分載荷與孔相切。載荷30°時(shí)，掛傘座底座孔邊緣處的最大應(yīng)力為419MPa，在下排、側(cè)孔邊緣處。

由上述分析可知，當(dāng)載荷方向從15°增大30°時(shí)，底座螺栓孔邊緣處的最大應(yīng)力從上排、側(cè)孔邊緣處的492MPa，變化到下排、側(cè)孔邊緣處的419MPa，說(shuō)明上、下排螺栓得到了充分發(fā)揮，更符合工程使用情況。

與方案III相比，方案IV掛傘座最大應(yīng)力減小336MPa，相對(duì)減小40.6%，但質(zhì)量有少許增大，從176.5g增大到192.5g?？傮w上，在質(zhì)量基本不變的情況下，載荷傳遞路徑對(duì)掛傘座的受力改善較好。

另外，圖9所示的方法，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師提供了便利，例如，為避免掛傘座底座中列的螺栓與橫向螺栓的干涉，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師可以比較輕松地在圖9中的扇形區(qū)域內(nèi)確定橫向螺栓孔的中心點(diǎn)，而不會(huì)使掛傘座的最大應(yīng)力發(fā)生較大的變化。但在方案III上，曾為此而付出了較大的應(yīng)力代價(jià)。

根據(jù)有限元的計(jì)算結(jié)果，可以統(tǒng)計(jì)出各個(gè)剛性MPC模擬的螺栓的受力，并可計(jì)算出其應(yīng)力[3]，見(jiàn)表1。從表1中可知，方案I～I(xiàn)II螺栓的最大拉應(yīng)力減小較明顯，從675MPa下降到484MPa，相對(duì)減小28.3%。但是，均主要是上排螺栓受力，而下排螺栓受力較小且受壓，說(shuō)明螺栓孔布局的改進(jìn)，只是使部分螺栓得到充分利用和發(fā)揮，而掛傘座厚度的增加，對(duì)螺栓的受力改善較小。與方案III相比，方案IV螺栓的最大拉應(yīng)力減小較明顯，從484MPa降低到319MPa，相對(duì)減小34.1%(15°開(kāi)傘力工況)。最主要的是，方案IV掛傘座的上、下排螺栓均受拉力，且拉力值差別較小，說(shuō)明載荷傳遞路徑的改進(jìn)對(duì)螺栓的受力改善較大，能夠使所有螺栓得到充分利用和發(fā)揮。

表1　螺栓的拉/壓力和應(yīng)力

4結(jié)論

針對(duì)螺栓孔的布局和載荷傳遞路徑，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)分析和計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，螺栓孔布局的改進(jìn)和掛傘座底座厚度的增加，使掛傘座和螺栓的受力得到較好的改善，但只是使部分螺栓得到充分利用和發(fā)揮；載荷傳遞路徑的改進(jìn)，不僅使掛傘座和螺栓的受力得到較好的改善，而且使所有螺栓得到充分利用和發(fā)揮。

與方案I相比， 15°方向開(kāi)傘力工況時(shí)，方案IV掛傘座結(jié)構(gòu)受力改善較為顯著：掛傘座孔邊緣處最大應(yīng)力從2130MPa降低到492MPa，相對(duì)減小76.9%；螺栓最大拉應(yīng)力從675MPa降低到319MPa，相對(duì)減小了52.7%，而掛傘座結(jié)構(gòu)質(zhì)量?jī)H增大3.8g。

總結(jié)上述， 本文通過(guò)對(duì)掛傘座的螺栓孔布局和載荷傳遞路徑的分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，在掛傘座結(jié)構(gòu)質(zhì)量基本不變的情況下，掛傘座結(jié)構(gòu)受力改善較為顯著。

參考文獻(xiàn):

[1] 王志瑾，姚衛(wèi)星. 飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[2] 關(guān)玉璞，陳偉，崔海濤. 航空航天結(jié)構(gòu)有限元法[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[3] 劉鴻文. 材料力學(xué)Ⅰ[M]. 第四版，北京：高等教育出版社，2004.

Structure Improvement and Analysis of Hanging Parachute Base of Certain UAV

CHEN Gang, XIN Zun, ZHANG Xiao-mu

(Nanjing Research Institute of Simulation Technology, Nanjing 210016, China)

Abstract:Based on FEA of structure, structure improvement and analysis on the hanging parachute base of certain UAV are carried out in the paper. By changing the hole layout of the bolt and increasing the thickness for the hanging parachute base, the stress on the hanging parachute base and the bolt is improved greatly, but only part of the bolts find full use, and by transferring path of load for the hanging parachute base, the entire bolts find effective use. The result shows that after structure improvement and with no change of its structure weight, the maximum stress of the hanging parachute base is reduced by 76.9%, and the stress of the bolt is reduced by 52.7%. Those indicate the obvious static improvement of the hanging parachute base.

Keywords:hanging parachute base; hole layout; transferring path of load; maximum stress

收稿日期：2014-01-10

中圖分類號(hào)：V224

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)02-0078-04

作者簡(jiǎn)介：陳剛(1977-)，男，湖北武穴人，工程師，本科，研究方向飛機(jī)設(shè)計(jì)。