某型飞机垂尾工作平台仿真计算及优化

汪邦中

摘 要：该文介绍了民用飞机大型工作梯类地面设备在飞机维修时可以提高维修效率、降低维修成本和保证飞机某些部位的维修可达等功能，并提出了工作梯仿真计算的必要性。该文以某型飞机垂尾工作平台为例，利用有限元方法对大型工作平台整体建立有限元模型，通过有限元仿真计算方法对其整体结构强度进行分析。根据分析结果，对工作平台的局部结构给出优化建议。

关键词：地面设备 工作平台 仿真计算

中图分类号：V21 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）07（c）-0010-04

民用飞机在航线运营时，在一定飞行小时或一定循环架次后，需进行各项检查、维修和维护任务。如何提高飞机的维修效率、降低飞机的维修时间是国内外各家航空维修公司的目标。民用飞机大型工作平台不仅可以方便飞机某些位置的检查和维修，也可以保证飞机几个部位同时进行维修，这就可以大大降低飞机维修时间和成本，提高经济效益。由于大型工作平台多用于飞机局部难以达到的区域，而飞机某些部位的高度需要达到5 m甚至更高的高度，这就使得某些大型工作平台高度、重量等参数比一般设备大。这些设备在使用的时候会存在人员和飞机方面的安全问题。设备的庞大，造成对设备整体结构强度、移动等方面要求较高。

对于所有大型工作平台来说，在结构设计时，平台的设计刚度应达到要求，保证平台在使用时不碰到飞机结构造成结构损伤；抽拉板的刚度达到要求，保证维修人员安全；对平台结构进行整体强度校核，保证工作平台整体安全。因此，对其进行仿真计算，对其结构刚度、强度进行校核和对部分结构件进行优化尤为重要。

1 仿真计算及优化

1.1 仿真计算对象概述

某型飞机垂尾工作平台总重量为4.7 t，采用悬挑结构设计。工作平台的上部两层为悬挑平台，每层工作台面下面均设有抽拉板，其中上层单侧7块，下层单侧10块，每块抽拉板重12 kg。上部两层悬挑平台材料为铝合金6061-T4，平台其余部分材料为钢Q235。整个平台分若干模块，模块间用螺栓连接，模块内部电焊连接。三维结构模型如图1所示。

1.2 材料属性

模型中所涉及的材料牌号为6061-T4和Q235，其材料属性如表1所示。

2 载荷条件与计算要求

2.1 载荷条件

（1）载荷。

根据设计要求，悬挑平台额度载荷为：单侧总载荷400 kg，每层200 kg；安全系数为1.6；则设计载荷为单侧总载荷640 kg，每层320 kg。

（2）载荷加载形式。

载荷加载形式以均布载荷200 kg/m2进行加载。安全系数为1.6，考虑极限情况，采用将均布力紧靠端面方式加载。

（3）抽拉板有效伸出长度为650 mm，抽拉板单块承载125 kg，安全系数1.6，校核计算中加载200 kg。考虑极限情况，采用端面施加集中力的加载形式。

2.2 计算要求

（1）根据模型，对平台在设计载荷下进行整体结构的强度、悬挑平台刚度和关键支撑的稳定性进行分析，对存在安全隐患的部件进行结构优化。

（2）对抽拉板按设计承载200 kg工况下的刚度进行分析。

3 有限元计算模型

根据垂尾工作平台三维模型，发现其设计主要采用各种型材和板材。因此平台的有限元模型建立主要采用梁单元和壳单元建模。对模型中的各种型材采用beam单元，平台花纹铝板和钢板采用shell单元。模型中共有12 314个beam单元和12 806个shell单元，有限元模型如图2所示。三维模型中，对梯子踏板和和部分扶手等影响平台整体强度和刚度的部件进行了简化处理。

垂尾平台约束以手摇支持的位置为约束点，约束方式简化为所有自由度全约束，载荷加载方式以紧靠端面200 kg/m2均布压力垂直加载（载荷最恶劣情况），详细约束和加载位置如图3所示。

4 仿真计算结果

4.1 平台强度与刚度

考虑重力的影响，在设计载荷作用下，平台的位移云图和应力云图如图4所示，通过分析平台的仿真结果发现，最大位移出现在二层悬挑平台最右侧位置，最大位移量为50.67 mm（云图位移最大值为57.44 mm，抽拉板位置不是平台本身的最大位移）。平台最大应力出现中间平台斜撑位置以下，最大应力值为74.40 MPa。考虑平台中下部结构材料为Q235，此最大值小于材料屈服强度，平台整体结构强度安全。结果详见图4。

4.2 平台稳定性

该文根据垂尾平台有限元模型，运用NX.NASTRAN对平台进行线性屈曲分析。在考虑重力的影响下，仿真计算时，施加的载荷=重力+k×设计载荷，需要调整k的值进行迭代计算，最终使计算得到的屈曲系数约等于1，这时对应的k就是真实的屈曲系数。计算得到平台的第一阶屈曲系数为9.44，即在施加载荷达到设计载荷9.44倍的时候、并加上平台自身的重量的情况下，平台才可能失稳（如图5所示）。

5 结论

通过对垂尾工作平台整体有限元仿真分析，可以得出以下结论。

（1）平台最大应力出现在二层平台钢结构位置，远小于Q235的屈服应力，整体强度满足要求。

（2）垂尾平台工作的最大位移，出现在二层悬挑平台最右侧位置，最大位移值为50.67 mm，建议采用较6061-T4材料性能更优的替代材料，有效降低平台位移量。

（3）在设计载荷条件下，平台稳定性满足要求，可在最大应力位置加焊斜撑，增强刚度。

参考文献

[1] MH/T 3011.23，民用航空器维修 地面安全 第23部分：民用航空器地面设备的安全技术规范[S].

[2] 《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册21册[M].航空工业出版社，1996.

[3] patran2010与nastran2010有限元分析从入门到精通[M].机械设计出版社，2013.