作动器固定支座结构优化设计

司超超+凡玉

摘 要：作动器固定支座是飞机结构的重要连接元件之一，是承受和传递集中载荷且易发生疲劳破坏元件，也是飞机结构强度计算和细节分析的关键部位。文章通过对作动器固定支座结构优化设计和强度计算，结果表明：点点式作动器安装结构宜采用双面连接固定支座结构形式，且固定支座结构满足强度设计要求。

关键词：作动器；固定支座；飞机结构；优化设计

1 概述

飞行控制系统是飞机重要的系统之一，飞行员通过飞行控制系统控制飞行各个操纵面的位置，从而控制飞机的姿态[1]。操纵面固定支座主要是用来承受作动器的集中载荷，并将其传递给翼盒，因此，作动器固定支座的结构形式和结构寿命直接影响作动器的操纵性能，乃至飞机的总体操纵性能。

本文通过对国外先进民用飞机作动器固定支座结构进行分析研究，结合某飞机气动外形和总体布置要求，确定副翼作动器固定支座结构形式，再运用MSC.Patran/Nastran软件对固定支座结构进行强度校核和结构优化，以期得到最佳固定支座结构方案，最后结合《飞机设计手册第9册》中耳片校核方法。

2 先进民机作动器固定支座结构形式

2.1 A320飞机

A320飞机副翼作动器采用点点式安装结构，与机翼后梁连接的固定支座采用“三面连接”结构形式。“三面连接”结构形式是指固定支座与机翼盒段上壁板、机翼盒段下壁板和机翼后梁均连接固定，该结构形式简单、可靠性大、固定支座结构刚度大、盒段受力特性好。

2.2 B787飞机

B787飞机副翼作动器采用点点式安装结构，与机翼后梁连接的固定支座采用“双面连接”结构形式。“双面连接”结构形式是指固定支座与机翼盒段下壁板和机翼后梁两面连接固定。较之“三面连接”结构形式，该结构形式简单、重量轻、传力直接、对后缘舱结构布局和系统管路电缆布局有利等优点。

3 固定支座结构优化设计和耳片校核

3.1 结构优化设计

升降舵作动器安装结构形式是点点式，从结构强安全性和可靠性考虑，作动器固定支座初始设计时拟定“三面连接”结构形式（如图1所示），材料选用15-5PH不锈钢。操纵点各向极限载荷分别为：Fx=19400N，Fy=0N，Fz=20140N。然后运用MSC.Patran和MSC.Nastran软件对固定支座结构进行强度校核，计算结果见图1。

由图1可以看出固定支座最大应力在与后梁连接上面三个螺栓处，且应力最大值为38.2MPa，而固定支座所选用的材料15-5PH的拉伸极限强度σb为1062MPa，安全裕度MS值为26.8。固定支座最小应力在后梁下缘条连接区和下壁板连接区，且最小应力值约为0.03MPa。

显而易见，固定支座采用“三面连接”结构对于结构重量是不利的，固定支座高应力区位于与上壁板和后梁上缘条连接区，固定支座与后梁下缘条和下壁板连接区应力水平较低，可以忽略不计。再者，固定支座所选用的材料15-5PH也是不合理的，应更换7050-T7451铝合金材料。其次，结构参数也应该进行适当优化，通过结构参数调参以实现在满足结构完整性和功能完整性前提下轻重量目标。因此，在综合考虑结构强度和轻重量前提下，将固定支座下半部分直接优化除去，仅采用与盒段上壁板和后梁上缘条区域连接，即固定支座选用“双面连接”结构形式（如图2所示），将材料由15-5PH更换为7050-T7451，同时对固定支座结构参数进行调参，然后运用MSC.Patran/MSC.Nastran软件对优化后的固定支座進行强度校核（如图2所示）。结果表明：固定支座最大应力为193MPa，安全裕度MS值为1.64，“双面连接”固定支座完全满足强度要求，结构实现减重71%，且为后缘舱内液压管路和电缆等布局提供便利条件。

3.2 耳片校核

耳片结构形式虽很简单，但耳孔周围的应力状态却很复杂。该连接形式是通过销栓给耳片传递载荷，随着载荷的增加，耳孔和销栓的接触由线接触变化到半个销栓面接触，也就是说，螺栓和耳孔内表面的传力过程是个接触应力问题，耳片受载时，其头部处于拉伸、弯曲和剪切复合受力状态之下。由于加载时销栓本身会产生弯曲变形，使得耳孔内壁的应力分布沿耳片厚度方向发生变化。而且销栓弯曲强度的强弱对耳片的受载影响很大[2]。所以耳片强度的精确计算比较复杂，一般采用工程简化方法。按照《飞机设计手册》第九册32.4节方法对固定支座耳片进行强度分析，并且在耳片强度分析时考虑了1.15的接头系数，耳片参数含义见图3所示。

斜耳片的安全裕度MS为

式中：Pf？琢为斜耳片在受载荷角度？琢时的极限载荷；

Pult为耳片承受的外加斜向载荷拉伸设计极限载荷。

式中：Pf0为耳片在受载荷角度0°时的极限载荷；

Kcon1和Kcon2为折算系数，与耳片材料、b/d、？琢等有关，可以从《飞机设计手册》第九册直接查得。

式中：K0为耳片的轴向拉伸载荷时的效率系数；

F为沿孔中心的净面积，单耳F=（b-d）t，双耳F=2（b-d）t。

固定支座耳片的结构参数见表1。借助《飞机设计手册》第九册32.4节参数图查得所需折算系数，利用上述耳片安全裕度计算方法和公式可以求得固定支座耳片的安全裕度为2.04，满足强度设计要求。

表1 固定支座的结构参数（单位：mm）

4 结束语

（1）对于“点点式”作动器安装结构，固定支座宜采用“双面连接”结构形式，该结构形式具有结构简单、轻重量、宜装配等特点。

（2）通过MSC.Patran/Nastran软件分析和理论计算，固定支座结构安全裕度大于0.15，满足强度设计要求，而且实现结构减重71%。

参考文献

[1]陶梅贞.现代飞机结构综合设计 [M]. 西安： 西北工业大学出版社，2007.

[2]中国航空研究院.飞机设计手册[M].北京：航空工业出版社，2001.