一種前支桿結構的有限元分析及優化

田玉艷， 姜雨昂， 樊巍

（中國飛行試驗研究院，西安 710089）

0 引 言

為了實時掌握飛機試飛過程中的飛行姿態，需在飛機頭部加裝迎角、側滑角。飛機試飛用測試迎角、側滑角傳感器分為旋轉風標式迎角、側滑角傳感器和壓差歸零式迎角、側滑角傳感器兩種類型。本文采用在機頭加裝前支桿形式安裝的迎角、側滑角傳感器為組合式旋轉風標式迎角、側滑角傳感器（見圖1）。

前支桿結構是連接飛機與迎角、側滑角傳感器的過渡結構件，通常由連接底座、主撐桿和斜拉桿3部分組成。連接底座、主撐桿和斜拉桿內各零件間通過螺釘固定，連接底座用螺栓與飛機機頭連接，主撐桿前端用外套螺母或螺釘固定迎角、側滑角傳感器，主撐桿兩側連接斜拉桿防止過大振動。本文通過對一種前支桿結構進行靜力特性和振動模態分析，驗證了該前支桿結構滿足使用要求；根據應力和變形分布，對前支桿結構進行優化，減小了前支桿結構重量和施工工作量，提高了工作效率和經濟效益。

1 幾何模型介紹

如圖2所示，前支桿結構由連接底座、主撐桿和斜拉桿3部分組成，各組成部分之間通過螺釘連接。連接底座由槽型材、底座組件Ⅰ和底座組件Ⅱ通過螺釘連接而成；主撐桿由法蘭座、鋁管、平管嘴和外套螺母通過螺釘連接而成，主撐桿前端用外套螺母固定迎角、側滑角傳感器；斜拉桿由套管型耳片、鋁管、拉桿接耳和角型件通過螺釘連接而成。

主撐桿組件鋁管長1360 mm，外直徑φ38 mm，內直徑32 mm；斜拉桿組件鋁管長1200 mm，外直徑φ24 mm，內直徑φ20 mm。

圖1 100510型組合式旋轉風標迎角側滑角傳感器

圖2 前支桿結構幾何模型

圖3 前支桿結構有限元模型

2 有限元模型建立

將前支桿幾何結構經簡化后導入PATRAN有限元計算軟件，保證簡化前后結構的力學性能不會發生改變。1）定義單元。將桿結構單元類型設置為一維梁單元，將薄壁結構單元類型設置為二維四邊形單元。2）材料屬性。采用有限元軟件分析時都涉及到結構零部件的材料類型，以及材料的密度、泊松比和彈性模量。該前支桿結構各部件的具體材料屬性如表1所示。3）網格劃分。本文選擇Paver網格生成器，采用mesh seed數量和global edge length值進行網格疏密程度控制，共計27 356單元，27 305節點。前支桿結構有限元模型如圖3所示。

表1 前支桿結構材料屬性

圖4 前支桿結構應力云圖

圖5 前支桿結構變形云圖

圖6 前支桿結構桿應力云圖

3 靜力分析

利用NASTRAN計算得到最大載荷（垂向3g）作用下前支桿結構的應力、變形和桿應力云圖如圖4～圖6所示。

由分析結果可知，前支桿結構最大應力位于連接底座與主撐桿連接處，其值為0.203 MPa，遠遠小于材料的屈服強度530 MPa；前支桿結構最大變形位于迎角、側滑角傳感器前端，其值為0.02 mm；前支桿結構最大桿應力位于主撐桿靠近連接底座處，其值為4.65×10-3MPa，遠遠小于材料的屈服強度530 MPa。前支桿結構滿足使用要求。

4 模態分析

在最大載荷（垂向3 g）作用下對前支桿結構進行模態分析計算，并提取前支桿結構的前10階固有模態頻率計算結果如表2所示，前4階前支桿結構的模態振型云圖如圖7～圖10所示。

由模態分析結果可知，第1、2階為前支桿結構整體垂向、側向振動，第3、4階前支桿結構整體垂向、側向扭動，第5～10階為高階模態振動；前支桿結構前4階振動頻率值在2～29 Hz之間，未與飛機結構的低階固有頻率重疊，因此前支桿結構與飛機結構不會產生共振；前4階前支桿結構整體結構振動、扭動均與主撐桿和斜拉桿的剛度相關，因此若進一步優化前支桿結構振動特性，需從增強主撐桿和斜拉桿的剛度考慮。

圖7 1階振型模態云圖

圖8 2階振型模態云圖

圖9 3階振型模態云圖

圖10 4階振型模態云圖

表2 前支桿結構前10階模態頻率計算結果

表3 優化后前支桿結構前10階模態頻率計算結果

5 前支桿結構優化及分析

由上述靜力分析可知，前支桿結構應力遠遠小于材料的屈服強度，因此可對該結構進行優化，提高前支桿結構內各零件的利用率和經濟效益。本文將采用保留左、右斜拉桿，省略中間斜拉桿的結構優化形式，優化后在最大載荷（垂向3g） 作用下，靜力分析結果如圖11～圖13所示，前10階固有模態頻率計算結果如表3所示。

由靜力分析可知，優化后前支桿結構最大應力位于連接底座與主撐桿連接處，其值為0.185 MPa，遠遠小于材料的屈服強度530 MPa；前支桿結構最大變形位于迎角、側滑角傳感器前端，其值為0.0182 mm；前支桿結構最大桿應力位于主撐桿靠近連接底座處，其值為4.21×10-3MPa，遠遠小于材料的屈服強度530 MPa。優化后前支桿結構滿足使用要求。

由模態分析可知，第1、2階為前支桿結構整體垂向、側向振動，第3、4階前支桿結構整體垂向、側向扭動，第5～10階為高階模態振動；前支桿結構前4階振動頻率值在2～30 Hz之間，未與飛機結構的低階固有頻率重疊，因此前支桿結構與飛機結構不會產生共振。

優化后前支桿結構的應力、變形、桿應力，與優化前相比較略有減小，優化后前支桿結構的前10階模態頻率，與優化前相比較略有增加，可見前支桿結構的優化減小了原前支桿結構的剛度，但卻使原前支桿結構重量更輕、受力更合理、強度更好。

圖11 優化后前支桿結構應力云圖

圖12 優化后前支桿結構變形云圖

圖13 優化后前支桿結構桿應力云圖

6 結論

本文分析了一種前支桿結構靜力特性、振動模態，驗證了該結構安全可靠，滿足使用要求。通過對前支桿結構進行優化，減小了前支桿結構重量和施工工作量，提高了工作效率和經濟效益。為實現前支桿結構輕量型設計提供參考。

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