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陈峰
【摘 要】民用飞机电子设备安装在托架上，为保证设备在各种载荷状况下的正常工作，托架需要具备一定的承载能力。本文对某型号民用飞机的标准设备托架进行了强度分析，介绍了有限元建模过程和分析方法，为其他设备托架的结构设计和强度分析提供了参考。
【关键词】民用飞机；设备托架；有限元；强度分析
0 引言
设备托架是由相互依存的零件和紧固件组成的支承结构组件，用于设备的安装固定。民用飞机实现电子设备标准化，其外形尺寸，前端锁勾，后端连接器，重量，热载荷等级等符合ARINC600[1]标准，可迅速拆卸和更换。为实现ARINC600电子设备的固定安装、快速插拔和集中维护，同时实现在设备架上规定位置的互换性，设计了一系列标准设备托架。如图1所示，ARINC600自然冷托架主要由导向件、安装板、垫板和加强片组成。本文以3MCU自然风冷标准托架为例，采用有限元分析方法[2]对标准托架进行强度分析，评估结构的安全性。
1 有限元分析
标准托架中零件的材料主要选用7075-T62铝合金和15-5PH-H925不锈钢，各零件之间采用铆钉连接。标准托架底部与结构横梁分别通过4个螺栓连接，锁紧器铰链座与托架底部分别通过2个螺栓连接，横梁两端约束三个自由度的平动。
1.1 工况
标准支架上安装电子设备，如图3所示。根据CCAR-25（运输类飞机适航标准）中有关设备架适用的条款规定，托架需在使用限制载荷和极限载荷（限制载荷乘以规定的安全系数）下满足强度要求。此外为保证设备在应急着陆情况下仍能正常工作，托架还需要满足CCAR-25中561条的要求。根据飞机各占位坐标限制过载系数的规定以及机载设备冲击和坠撞安全环境条件及试验程序，并考虑到标准托架在飞机设备架上的安装位置、安装方向不固定，故各方向过载取最大值，最终确定标准托架的计算工况为：向前9g（应急着陆）、向后9g（应急着陆）、侧向9g（坠撞）、向上9g（坠撞）、向下11.2g（极限过载包线），方向如图3所示。
1.2 载荷
托架的载荷主要来自其安装的机箱设备，工况向前时，载荷全部由锁紧器的紧定钩承受，工况向上时，载荷全部由后部连接和紧定钩承受，侧向工况时，设备所产生的力由后部连接和紧定钩承受，向后工况时，设备所产生的力全部由安装板承受，向下工况时，设备所产生的力由导轨板承受。
根据ARINC600规定，3MCU标准托架允许的最大机箱设备重量为7.5kg。本文重心选取位置为设备形心处，所以在机箱重心位置施加向前、向上、侧向、向后极限载荷F=661.5N；向下工况时，按照公式P=，计算导向件底板压力载荷为0.035MPa，S为机箱与托架底部接触的有效面积。
1.3 有限元建模
采用有限元分析方法对标准托架进行有限元建模，其中导向件、垫板、安装板、铰链座采用壳单元，厚度为零件实际厚度；螺栓连接处用REB2、CBAR刚性单元；铆钉用CWELD单元进行模拟，直径和材料按实际铆钉材料定义；机箱用一组刚性梁CBAR 模拟；机箱与托架后部连接器连接处采用弹簧单元CELAS2模拟。
在向前工况下，在托架前部边缘建立一组垂直弹簧模拟机箱对托架的垂向压力，锁紧器中的螺杆、环扣、旋钮组件用CBAR单元进行模拟，如图4所示。
2 应力结果及强度分析
采用Hypermesh软件进行有限元计算，得到5个工况下的零件应力。本文通过对比零件应力和材料许用值，计算得到结构静强度的裕度，评估托架的承载能力和安全性。零件安全裕度计算公式[3]如下：
式中：σtu为零件的材料许用值；σmax为零件最大Mises应力。
根据5个载荷工况下托架的应力云图可知，向前、向后、向上、向下4个工况的最大应力位于导向件底板前部边缘上，其中向前工况下零件应力最大，如图7所示，应力值为265Mpa，导向件材料为7075-T62，材料许用值为537MPa，安全裕度为：
3 结论
本文对民用飞机标准设备托架进行了有限元建模分析，得到静强度计算结果，分析结果表明标准设备托架满足强度要求。
民用飞机中ARINC600电子设备需要快速插拔和集中维护，标准托架的设计不但可以很好的满足这些要求，还实现了在设备架上规定位置的互换性。但同时其载荷环境也相对比较复杂。本文通过对民用飞机标准设备托架进行静强度分析，证明了标准设备托架安全性，可以为其他类型的飞机电子设备安装结构的强度分析提供参考。
【参考文献】
[1]AIR TRANSPORT AVIONICS EQUIPMENT INTERFACES：ARINC 600-19-2011[S].
[2]王勖成，邵敏编著.有限单元法基本原理和数值方法[M].清华大学出版社， 1997.
[3]飞机设计手册·9·载荷、强度和刚度[M].航空工业出版社，2001.
[責任编辑：朱丽娜]
