飛機慣性基準裝置安裝強度分析

嚴文軍

【摘 要】民用飛機機載設備中慣性基準裝置是一個重要的航電系統設備，對于其安裝結構的強度和剛度有著嚴格的要求，以保證其在各種載荷狀況下能正常工作。本文介紹了慣性基準裝置安裝強度的分析過程和方法，對其振動模態進行了分析，得出了強度結論，對類似的飛機機載設備及其結構的強度分析，提供了參考。

【關鍵詞】慣性基準；安裝支架；強度；模態分析

0 引言

隨著民用飛機對飛行性能的要求不斷提高，飛機設計中對機載設備工作的可靠性和穩定性有了更高的要求。航電系統是飛機重要的控制系統，慣性基準裝置是航電系統中的導航設備，提供飛機俯仰，橫滾，航向以及及時地理位置等信息。為了確保設備測量信息的準確性，慣性基準裝置的安裝有著嚴格的要求，其與安裝托架的固有共振頻率應大于180Hz，以確保設備與安裝結構的剛性連接，避免振動和彈性形變對輸出的加速度和角速率信號的精度產生影響。為了滿足這個設備對于安裝支架強度和剛度的要求，保證飛機的安全，本文利用有限元分析方法對支架進行靜強度和模態分析，評估結構的安全性。

1 有限元模型簡介

慣性基準裝置安裝于機頭，通過支架安裝在機身結構上，安裝支架結構采用7000系列機加件，各零件通過螺栓裝配在一起。安裝結構包括3個支架，慣性基準裝置通過4個螺栓與安裝支架相連，支架與機身結構的框通過鉚釘連接。

采用有限元分析方法對慣性基準裝置安裝支架結構進行有限元建模，并將設備等結構簡化為質量點，支架有限元模型如圖1，分析模型中包含支架周圍的主結構，主結構范圍為沿飛機縱向前后各一個框，垂向和橫向均延伸至橫梁或縱梁。零件用Shell單元模擬，緊固件用bush單元模擬，設備質量用conm2質量單元模擬，并考慮了設備的轉動慣量，設備質量點通過rbe2連接到安裝螺栓上。慣性基準裝置安裝組件結構通過鉚釘與機身結構相連，使用bush單元模擬。最后，在主結構的延伸邊界上施加剛性固定約束。

2 載荷概述

按照適航規章CCAR25部的要求，支架結構需要滿足305、307條款的要求，確保飛機結構的安全性，此外，為了確保慣性基準裝置在應急著陸情況下能正常工作，還需滿足561條款的要求。因此，慣性基準裝置靜強度計算考慮的載荷為飛機的過載包線和應急著陸載荷。

2.1 全機過載包線

慣性基準裝置安裝結構靜強度計算考慮的載荷為飛機在空中和地面過程運行中產生的載荷，通過全機的計算分析得到，在計算時，限制載荷需要考慮1.5的載荷系數，作為極限載荷使用。

2.2 應急著陸載荷

慣性基準裝置安裝結構還需考慮CCAR-25中的561條款規定的應急著陸載荷，慣性載荷大小和方向為：向前9g，向后1.5g，向上3g，向下6g，向左3g，向右3g。

3 應力結果及靜強度分析

慣性基準裝置只考慮慣性載荷，根據第2節中的載荷，靜強度計算包含6個工況，分別為：向前9g，向后1.5g，向上3g，向下10.4g，向左3g，向右3g。

使用nastran軟件對有限元模型進行靜力計算，得到6個計算工況下的零件應力和緊固件受力，通過與零件材料和緊固件的許用值相比，可以計算得到結構靜強度的裕度，從而評估安裝結構的安全性。

3.1 零件校核

慣性基準裝置安裝支架緊固件的最大剪力發生在向前9g工況下，為1334N，緊固件為MS20470AD5鉚釘，緊固件直徑為3.97mm，零件厚度為2mm，零件的許用擠壓強度為723MPa，計算得到安全裕度為3.30。

4 模態分析

為了滿足設備安裝的頻率要求，需要對安裝結構進行模態分析。因此，在對模型進行模態分析后，計算模型自由振動的頻率，得到安裝結構的一階頻率是238Hz，大于設備要求的180Hz，所以安裝支架結構的剛度符合要求，結構的一階振型如圖3所示。

5 結束語

本文對慣性基準裝置安裝支架的有限元建模分析，得到了靜強度和模態計算結果，分析結果表明安裝結構滿足強度和剛度要求。

飛機機載設備的載荷環境比較復雜，針對不同設備有一些特殊的載荷要求，需要進行強度分析來確保其安裝結構的安全性。此外，由于電子設備對于振動環境有較高的要求，一般需進行模態分析以避開共振頻率，避免干擾設備的正常工作或使其由于振動造成失效。本文通過對飛機慣性基準裝置安裝的載荷、靜強度和振動進行分析，可以對類似的飛機機載設備強度分析提供參考。

【參考文獻】

[1]劉鴻文.材料力學[M].高等教育出版社，2003，3.

[2]飛機設計手冊·9·載荷、強度和剛度[M].航空工業出版社，2001.

[責任編輯：楊玉潔]