某型機(jī)空速管安裝支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝配過程分析

許小妹，余志明，袁平湘，江鵬，黃 穎，胡益富

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

空速管是飛機(jī)重要的測(cè)量工具，機(jī)上的空速管是一根空氣壓力信息探測(cè)管，由空氣壓力受感器和安裝支桿構(gòu)成，用來探測(cè)氣流的全壓和靜壓，為膜盒儀表設(shè)備提供工作壓力信息，以轉(zhuǎn)換為飛機(jī)飛行參數(shù)(速度、氣壓高度、升降速度、馬赫數(shù)和空氣密度比等)的顯示和輸出。因此，空速管探測(cè)空氣壓力信息的精度直接關(guān)系到這些飛行參數(shù)的測(cè)試精度。現(xiàn)代飛機(jī)，空速管一般安裝于機(jī)頭部位，又被稱為機(jī)頭空速管，其最佳安裝選位是在機(jī)頭頂端并與機(jī)頭對(duì)稱軸線相一致[1]?？账俟芫嚯x飛機(jī)機(jī)頭前端越遠(yuǎn)，被測(cè)處的空氣受機(jī)體的擾動(dòng)影響就越小，探測(cè)到的靜壓就越接近真實(shí)的大氣靜壓?？账俟茈x機(jī)體越遠(yuǎn)，安裝支架越長(zhǎng)，對(duì)結(jié)構(gòu)本身的剛度、連接強(qiáng)度和裝配工藝精度提出的要求就越高。

1 空速管安裝支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)要求

某型飛機(jī)需加裝機(jī)頭標(biāo)準(zhǔn)空速管進(jìn)行大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)校準(zhǔn)試飛，要求空速管及支架與飛機(jī)水平線平行，機(jī)頭標(biāo)準(zhǔn)空速管重心距機(jī)頭尖點(diǎn)約1.5m；空速管過載10g時(shí)，支桿及機(jī)頭罩彈性形變引起的空速管重心位移量不大于5.2mm。另，根據(jù)《GJB 67A-2008軍用飛機(jī)強(qiáng)度和剛度規(guī)范》第3.2.1.8.2條規(guī)定，空速管及其鄰近的支持結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受ny=±100和nz=±50的載荷系數(shù)。

1.2 空速管安裝支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為某型機(jī)標(biāo)準(zhǔn)空速管安裝支架結(jié)構(gòu)示意圖，空速管安裝支架主要由輔助管及機(jī)頭罩組成，輔助管由兩半錐形管和兩個(gè)法蘭件焊接組成。機(jī)頭罩與1框用托板螺母連接固定，連接區(qū)布置角盒以加強(qiáng)連接區(qū)強(qiáng)度；機(jī)頭罩在法蘭件2上通過抽釘CR3214-6-9套接固定，并在機(jī)頭罩的前端直線段處，用螺釘和攻螺紋鋼管（作為螺母）連接機(jī)頭罩和輔助管，以進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)頭罩與輔助管的連接強(qiáng)度；標(biāo)準(zhǔn)空速管通過轉(zhuǎn)接接頭在輔助管前端連接固定，機(jī)頭尖點(diǎn)距空速管重心1.5m。機(jī)械連接完成后，貼EW210玻璃布或刮玻璃纖維拌J-4膠使法蘭件與機(jī)頭罩的外形光滑過渡。

圖1某型機(jī)空速管安裝支架結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 各主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)輔助管

輔助管是空速管安裝支架的重要結(jié)構(gòu)件，一端通過機(jī)頭罩與機(jī)體連接固定，另一端為空速管提供結(jié)構(gòu)支撐，保證空速管的試驗(yàn)位置要求。如圖2所示，輔助管由兩個(gè)變壁厚、變直徑半錐形管及兩個(gè)法蘭件焊接組成。與機(jī)頭罩連接的法蘭件，受機(jī)加加工擺刀角度限制，拆分為法蘭件1和法蘭件2，兩半錐形管及兩個(gè)法蘭件均采用30CrMnSiA高強(qiáng)度鋼機(jī)加成形；兩半錐形管焊后熱處理，保證直線度不大于Φ1mm。

2)機(jī)頭罩

機(jī)頭罩采用玻璃鋼疊壓而成，機(jī)頭罩前端留有多余直線段，為整個(gè)空速管支架的安裝定位提供支撐。為減小對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能的影響，機(jī)頭罩前端與輔助管套接的區(qū)域設(shè)計(jì)5mm的下陷深度，下陷過渡區(qū)寬度為20mm，如圖3所示。與之連接的法蘭件2壁厚為4mm，考慮到零件的加工誤差和裝配誤差，保證裝配的可靠性，法蘭件和機(jī)頭罩貼合面間留有1mm間隙，間隙區(qū)及機(jī)頭罩下陷過渡區(qū)貼玻璃布、用J-4膠填充，以保證飛機(jī)的氣動(dòng)外形。

圖2輔助管

圖3機(jī)頭罩

2 強(qiáng)度校核

通過簡(jiǎn)化空速管安裝支架結(jié)構(gòu)受力模型，采用工程估算法初步驗(yàn)證安裝支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，再通過有限元法對(duì)各零部件的連接強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度及位移進(jìn)行校核。

2.1 工程估算法

假設(shè)該空速管安裝支架各連接部位的連接強(qiáng)度足夠，機(jī)頭罩離機(jī)身1框距離最近，與1框貼合的整個(gè)周向均有托板螺母連接固定，其開口尺寸相對(duì)航向方向尺寸較大，其自身重量引起的撓度相對(duì)輔助管慣性載荷及外加載荷引起的撓度很小。故在工程法計(jì)算中，假設(shè)機(jī)頭罩為剛體，將空速管安裝支架簡(jiǎn)化為一簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，固支點(diǎn)A為機(jī)頭罩直線段與輔助管連接區(qū)域的機(jī)頭尖點(diǎn)處，B點(diǎn)為空速管重心，如圖4所示；其縱向（Y向）偏移量為空速管重心距機(jī)頭尖點(diǎn)1.5m處、過載為10g的集中載荷以及輔助管均布質(zhì)量載荷疊加的撓度[2]，故此簡(jiǎn)支梁的最大撓度，即空速管重心處最大偏移量為：

其中，梁為錐形管，簡(jiǎn)化為等直徑等壁厚圓柱體，其外徑D取錐形管兩端外徑均值，D=(90+50)/2=70mm，內(nèi)徑d取錐形管兩端內(nèi)徑均值，d=(78+42)/2=60mm。

故，慣性矩：I=π×(D4-d4)/64≈3.14×(0.074-0.064)/64=5.42×10-7

圖4空速管安裝支架簡(jiǎn)化圖

錐形管材料為30CrMnSiA，其彈性模量E=2.1×1010，錐形管重量m1=10.374kg，空速管重量m2=2.17kg，機(jī)頭尖點(diǎn)距空速管重心距離為力臂：l=1.5m；

故空速管安裝支架滿足試驗(yàn)的位移要求，工程估算法初步驗(yàn)證空速管安裝支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

2.2 有限元法校核

本小結(jié)只針對(duì)距離機(jī)體1框平面較遠(yuǎn)、力臂較長(zhǎng)的輔助管剛度及連接強(qiáng)度進(jìn)行校核，并計(jì)算空速管在10g集中載荷作用下的位移。

2.2.1有限元模型的建立和載荷

空速管安裝支架及機(jī)頭罩有限元模型如圖5所示。

圖5空速管安裝支架結(jié)構(gòu)有限元模型

空速管重量以集中載荷形式給出，空速管重量為2.17kg。

ny=±100 時(shí)，集中載荷大小為：F=2.17×9.81×100＝2123N；

nz=±50 時(shí)， 集中載荷大小為：F=2.17×9.81×50＝1064N。

2.2.2輔助管焊接強(qiáng)度校核

1）ny=±100 時(shí)焊縫破壞正應(yīng)力Sb=K1·σb=0.9×1075=967.5MPa，

焊縫破壞剪應(yīng)力 τf=K2·Sb=K1·Sb=（0.6×0.9×1075）MPa；

其中，K1為焊縫強(qiáng)度削弱系數(shù)，K2為焊縫拉剪系數(shù)。

如圖6所示，輔助管焊接區(qū)最大拉應(yīng)力為492MPa，最大剪應(yīng)力為352MPa，

2）nz=±50 時(shí)

焊接區(qū)最大拉應(yīng)力為230MPa，最大剪應(yīng)力為121MPa。

2.2.3 緊固件連接強(qiáng)度校核

空速管的最大應(yīng)力水平為ny=±100時(shí)，故后續(xù)只列出ny=±100時(shí)的連接強(qiáng)度校核過程。

空速管安裝支架主要包括機(jī)頭罩與法蘭件的抽釘連接和錐形管與機(jī)頭罩直線段的螺釘連接。

1）如圖7所示，機(jī)頭罩與法蘭件由4排錯(cuò)開的抽釘連接，最大載荷為4704N，面內(nèi)剪力為4695N。

抽釘牌號(hào)為CR3214-6-9，直徑為4.8，破壞剪力為6583N。

機(jī)頭罩連接處厚度為8.9mm，擠壓破壞力為：

2）焊接錐形管和機(jī)頭罩直線段用Φ5螺栓連接；錐形管和機(jī)頭罩直線段連接最大載荷為5371N，面內(nèi)剪力為4615N，面外拉力為2751N，Y向100g，如圖8所示。

機(jī)頭罩連接處厚度為8.9mm，擠壓破壞力為：

Pj2＝1.0×200×5×8.9＝8900N；機(jī)頭罩?jǐn)D壓強(qiáng)度夠。

輔助錐形管材料為30CrMnSiA，厚度為6mm，擠壓強(qiáng)度夠。

按照第四強(qiáng)度理論，螺栓拉剪復(fù)合應(yīng)力為：

2.2.4 位移校核

ny=±10情況下，空速管重心處最大位移為5.14mm，如圖9所示，滿足試驗(yàn)要求。

3 空速管安裝支架的裝配

空速管安裝支架的裝配定位是滿足空速管測(cè)試改裝位置要求的重要保證。裝配定位過程主要包括：輔助管各零部件的定位、輔助管與機(jī)頭罩的裝配定位和機(jī)頭罩+輔助管與1框的裝配定位。

輔助管由兩半錐形管、兩個(gè)帶外形法蘭件焊接組合而成，長(zhǎng)度方向上尺寸大于1.5m，零件外表面均為曲面，焊接不易固定，易產(chǎn)生變形。故輔助管在定制工裝型架上焊接可以保證其裝配定位，如圖10所示。輔助管前后端面均設(shè)計(jì)有擋板限制其航向定位，法蘭件兩處裝有帶外形卡板，焊接時(shí)保證此區(qū)域準(zhǔn)確定位，兩半錐形管段設(shè)有3處卡板。焊接時(shí)，先焊接兩半錐形管，此區(qū)域不是飛機(jī)外形面，每個(gè)端面為圓形，故可先將半錐形管對(duì)縫處向上擺放，以方便施工操作。

已焊接的輔助管與機(jī)頭罩用工裝同心棒保證兩者的同軸度 （同心棒直徑一端為輔助管前端等直段小口徑內(nèi)徑，另一端為機(jī)頭罩直線段內(nèi)徑），同心棒從機(jī)頭罩開口端向機(jī)頭罩直線段伸出，直到穿過輔助管前端小口徑等直段，限制其y、z向位移；輔助管靠法蘭件端面與機(jī)頭罩下陷處齊平，限制其x方向位移。輔助管與機(jī)頭罩在法蘭件上通過抽釘CR3214-6-9連接，在機(jī)頭罩的前端直線段處，用螺栓和攻螺紋鋼管作為螺母，連接機(jī)頭罩和兩半錐形管。

機(jī)頭罩與輔助管連接固定后，在1框框緣處用托板螺母與機(jī)體安裝。先將飛機(jī)調(diào)水平，將機(jī)頭罩的中軸線（機(jī)頭罩生產(chǎn)車間預(yù)留）與1框中軸線對(duì)齊，并采用水平儀進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證輔助管前端軸線與飛機(jī)x軸同軸度不大于1.5mm，然后對(duì)機(jī)頭罩進(jìn)行定位、開孔、安裝的工作，保證空速管安裝支架在飛機(jī)上的位置精度要求。

4 結(jié)論

通過簡(jiǎn)化安裝支架結(jié)構(gòu)受力模型，采用工程估算法初步校核安裝支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；通過有限元法對(duì)各零部件的連接強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度及位移進(jìn)行校核，結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的空速管安裝支架滿足試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度要求。