新研机载设备的轻量化设计方法

党举红

航空工业第一飞机设计研究院，陕西 西安 710089

随着信息技术、网络技术和计算机技术的发展与进步，飞机系统综合化、模块化程度越来越高，机载设备的功能也越来越强大，综合性能越来越高，新研机载设备的轻量化已经是发展所趋[1～4]。机载设备的轻量化设计从某种意义上来说是一种“合理”设计，即在当前技术水平和技术条件下，机载设备既能满足特定的功能、性能要求，又要重量（质量）最轻，动/静强度余度合理，同时也能够满足结构、接口、电磁防护和元器件等相关要求下的一种综合权衡结果[5～7]。

机载设备的轻量化设计需要分析功能、性能及相关技术要求，根据飞机系统方案及冗余度决定机载设备的功能和性能要求，这些都直接影响机载设备的重量。其次，从方案设计入手，通过方案迭代、强度设计、材料选择、工艺选择等尽可能优化设计方案，以进一步减轻机载设备重量，达到重量最优。

1 合理的功能设置

机载设备不同于普通产品，其技术要求非常多，除基本的功能、性能、接口、重量、外形、电磁兼容和散热等要求外，还有自然环境、机械环境、可靠性/维修性/测试性/保障性/安全性、标准化等通用质量特性要求，这些要求中的每一项都可能会影响到机载设备的重量，尤其是功能性要求，每增加一项，就会增加一份重量。同时，机载设备的功能要求与飞机系统功能设置息息相关，有些要求通过机载设备实现重量最优，而有些功能通过飞机系统实现重量最优，从轻量化设计的角度出发，新机设计时，一是尽量从全系统甚至全机的角度，考虑机载设备功能设置的合理性，使之既实现功能，又使重量最优。二是对相关技术要求进行合理约束和优化，尽可能不产生功能过多、性能过高、冗余过度，降低新研机载设备的重量。

如某阀门类设备，经飞机系统功能的合理性分析后取消了阀门的调压功能，如图1所示，结构形式由机械闸板更改为电磁阀控制，单个设备的重量由1.5kg减为1.0kg，减重幅度达到33.33%。

图1 某阀门的功能变化引起的结构变化Fig.1 The effect of the valvular function changing on the technical scheme

除基本功能外，新研机载设备的动/静强度要求、通用质量特性要求、设备功能余度等都可以较大幅度地影响机载设备重量，对这些要求进行分析，尽可能给出合适合理的要求，实现机载设备的轻量化设计。

2 轻量化设计

技术方案对新研机载设备重量的影响是非常重要的，方案设计时，首先是选用合理的方案，通过方案不断优化、采用一体化设计和新专利等实现轻量化，同时也可以通过强度设计、材料选择、工艺选择等来降低设备重量。

2.1 方案优化

（1）合理的方案

在方案阶段，通过需求捕获分析、关键部件识别，进行技术方案的优化，选取重量最优的技术方案。某散热器通过需求分析后，其技术重要度前三位依次是腐蚀防护与控制、重量控制、感温阀的稳定性，参考国内外产品相关设计要求和厂内其他型号产品的设计经验，收集概念碎片，形成产品的关键技术识别表及多方案描述表，见表1、表2。方案2和方案3重量均为4.1kg，综合考虑技术稳定性、技术成熟度和成本，选用了重量最优的技术方案3。

表1 关键技术识别Table1 Identify the critical technical

表2 技术方案优化Table2 The technology scheme optimization

（2）一体化设计和新专利的采用

在某阀门类零件（如图2所示）设计时，从技术上说，叠加式结构或一体式结构均可以满足要求。在叠加式结构中，切断阀和刹车阀分别以板式连接，安装在布局好流道孔的集成块上；而在一体式结构中，切断阀和刹车伺服阀共用一个阀体。方案设计时，电磁铁采用新专利技术，如图3所示，将一维运动变成二维运动，利用液压力在阀芯上实现功率放大，减小阀芯的驱动力、直径，得以选用密度更小的材料，减轻电磁铁的重量、减轻阀芯的重量，最终实现了功能和性能，整个设备重量也从叠加式结构的1.06kg降至一体式结构的0.49kg，减重幅度达到53.77%。

图2 某阀类零件设计Fig.2 The design of the valvular scheme

一直以来，电流互感器和接线柱都是单独设计、制造，如图4（a）、图4（b）所示，造成的结果是自身重量大，汇流条长度变长，结构复杂，重量相应增加。在某电气设备设计时，采用了互感器和接线柱的集成方案，将改进的电流互感器置于接线柱里面，不仅减轻了整体重量，而且使得某新研机载设备的体积明显减小，如图4（c）所示。

图3 电磁铁Fig.3 The electromagnet

图4 某电流互感器设计Fig.4 The design of the contactor scheme

（3）技术方案的不断优化

某机载设备的散热器重量主要受总体尺寸、散热器框架厚度、散热器翅片与肋片的布置等三方面的影响。方案设计时，先后经过4轮优化，散热翅片从有到无再到有；散热器厚度从80mm到68.5mm；肋片从22片到15片，并加开减重槽等，如图5、图6所示，散热器组件重量见表3。经过强度仿真、热分析等，和第1轮方案相比，第4轮优化结果减重效果达1.3kg，减重幅度46.43%。

图5 优化后的第1轮方案Fig.5 The scheme after the first optimizing

图6 第2轮到第4轮优化的结构Fig.6 The scheme after the second to fourth optimizing

表3 散热器组件重量Table3 Radiator weight

2.2 强度设计

机载设备的强度要求除要满足静强度要求外，还要满足振动、功能冲击、坠撞安全、耐久性、加速度等动强度要求。新研机载设备的强度设计不仅是校核设备是否满足强度要求，也是设备结构材料选择、强度冗余度分析和进一步减重的重要依据[2]。

从强度设计来看，主要是强度和刚度指标的合理选取，相关规范中要求的安全裕度Ms＞0即可，设计完成后，进行静/动强度分析，根据强度裕度，结合制造工艺要求，进行进一步的减重设计。强度裕度大是造成重量偏重的重要原因。为此，可从以下途径严格控制设计重量：（1）建立细节有限元模型，开展参数优化；（2）结构拓扑优化；（3）运动机构的仿真分析；（4）严格控制各零部件的强度裕度；（5）在设计中合理地选择紧固件、胶、漆等，满足轻量化设计要求。

某设备的涡轮壳体设计时，因涡轮入口压力相对较高，涡轮出口压力相对较低。考虑最小重量设计原则，适当减小了低压区的壳体厚度，零件重量由0.856kg减至0.847kg，仍然实现了减重，使壳体结构更趋合理，如图7所示。

图7 涡轮壳体设计Fig.7 The design of the turbine casing

某设备轴承座设计时，轴承座起到连接两端壳体与支撑轴承的作用，根据强度计算结果，通过减小加强筋的厚度，零件重量由0.895kg减至0.818kg，实现了减重，如图8所示。

图8 轴承座减重设计Fig.8 The design of the bearing seat weight deduction

2.3 材料选择

材料选择的轻量化设计依据是强度计算结果，依据计算结果，尽量选取比强度和比刚度高、抗疲劳特性好的材料，对强度富余的结构形式选择密度更小的材料，如阀壳体可以采用复合材料，阀板可以采用非金属材料等。

以阀门类零件为例，在零件设计时，对零件进行区分设计：不受力零件、静载荷零件和耐磨损零件，对于不受力零件，在设计时，选择强度较小的铝合计材料，如阀体、盒盖、保护罩、连接板；对于静载荷零件，在设计时，选择强度较高的钢类材料，如阀体、阀芯。对耐磨损零件，在设计时，选择耐磨钢材料。对于强度裕度特别大的零件，甚至可以选择一些非金属材料。

2.4 工艺选择

工艺不仅影响加工方式和成本，也会影响到设备重量。选择合理的工艺，不仅实现加工方便，也可以达到减重的目的。

以某设备的管路补偿器与引气管路一体化设计为例，如图9所示。要实现引气管路轴向和径向的位移补偿，需要三个补偿器原件，将补偿器原件与管路一体化焊接，减少了成品与管路的接头，达到减重的目的。另外，在某位置开关的设计中，通过控制焊接工艺，减少了堆焊重量的增加。

图9 管路补偿器与引气管路一体化工艺选择Fig.9 The integrative design of the pipeline and its compensator

3 结束语

持续轻量化是机载设备的研究目标之一，这不仅是设备本身的要求，也是飞机技术进步的要求，轻量化设计要从技术要求着手，从机载设备的方案设计入手，通过结构方案的优化设计、强度分析、材料选择、工艺选择等来减少重量，实现机载设备的最优重量设计。