吊舱悬挂结构的传力分析

朱庆流，黄福清，叶元鹏

（中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川 成都 610097）

吊舱是指安装有机载设备或武器，并悬挂在机身或机翼下的流线型短舱。为了使安装空间尽量大，其吊舱结构一般做成长筒形薄壁结构，截面有圆形和方形两种形式。吊舱通过两组悬挂结构与载机相连，每组悬挂结构一般由一个吊耳、两个止摆区和舱内连接结构组成，见图1。载机对吊舱的驱动载荷全部通过悬挂结构传递到吊舱其他部分，因此，悬挂结构所承担的载荷最大，需要考虑其传力效率并进行局部强度校核。

吊舱的吊耳位置处一般设置一个加强框，将整个截面加强成一个整体，使整个吊舱的四周一起传力。有时由于设备布局的原因，不能在吊耳位置设置加强框，只能将吊耳布置在相邻加强框之间的梁上。这时，与吊耳连接的位置就不能直接将力传递到整个舱的截面，此处应力就很集中，需要做加强结构减小应力集中并将载荷有效地传递到整个吊舱。

本文将结合工程实际，以某型吊舱为原型设计两类悬挂结构方案（吊耳处有或无加强框），分析其传力路径，并运用ABAQUS有限元仿真软件对模型进行分析，通过各自计算出的位移、应力和固有频率的比较，找出各方案的特点和应用注意事项。

1 吊耳处有加强框的布置方案

吊舱结构形式为梁式，外形尺寸为4700mm×475mm×450mm，吊舱壁厚3mm，吊耳间距762mm，重量为70kg，见图2。外载荷等效为吊舱的惯性载荷，加速度分别为：竖直方向5g，航向3g，侧向2g。

图1 悬挂结构的组成

图2 吊舱的外形和悬挂位置

舱内悬挂结构布置加强框，框将整个吊舱截面加强成一个整体，使整个吊舱一起传力。框腹板高度40mm，翼缘宽度30mm，厚度3mm，见图3。

由于等截面加强框为对称结构，载荷在吊耳位置为非对称，所以在框顶吊耳处加载竖向载荷时，顶部中心位置的弯矩最大，底部弯矩最小。所以，考虑将加强框做成变截面结构，顶部腹板变高，底部腹板边矮，并挖槽减重，见图4。

在竖向力作用于隔框的情况下，沿力的作用方向安装撑杆是获得较轻结构的有效结构措施，见图5。这时，力作用处的最大弯矩大约减少50%。撑杆不需要消耗很多重量，因为他是在受拉（或者受压）状态下工作的。

图3 等截面框

图4 变截面框

为了验证框的加强作用，分别对三种加强框的结构用有限元法建模和计算，并与无框的情况下进行比较。无框时分别考虑无加强的点接触、仅纵向长梁和仅横向加强短梁。应力和位移计算结果分布见图6～13，应力、位移和一阶模态固有频率值见表1。

图5 带支撑杆的框

图6 无框时应力分布

图7 无框时位移分布

图8 仅纵向长梁时应力分布

图9 仅纵向长梁时位移分布

图10 仅横向短梁时应力分布

图11 仅横向短梁时位移分布

图12 等截面框时应力分布

由上述计算结果可以看出，在没有框的情况下，最大应力（555MPa）和最大位移（38mm）都很大，一阶模态固有频率很低（4Hz），验证了吊耳处的载荷不能有效地传递给整个吊舱，结构不合理。设置等截面加强框后，最大应力（206MPa）和位移（2.8mm）减小很明显，一阶模态固有频率变高（20Hz），体现了加强框的作用。变截面框在能够达到效果的同时能减少框的重量，带支撑杆的框在应力方面减少比较明显，在有条件的情况下尽量使用此结构。

2 吊耳处无加强框的方案

图13 等截面框时位移分布

图14 无加强筋时应力分布

表1 吊耳位置有框时计算结果

对于吊耳位置没有设置框的情况下（吊耳与临近的加强框间距150mm），外形与施加载荷与上述有框的方案相同。设置四种加强方案，分别用有限元法建立模型并计算，应力分布见图14～17，应力、位移和一阶模态固有频率值见表2。

图15 横向加筋时应力分布

图16 纵向加筋时应力分布

图17 双向加强时应力分布

表2 吊耳位置无框时计算结果

上述几个算例都是吊耳位置没有加强框的计算结果，其中在没有任何加强措施的情况下，最大应力（802MPa）和最大位移（52mm）都很大，一阶模态固有频率很低（3Hz），此结果和无任何框的计算结果类似，吊耳处的载荷也不能有效地传递到整个吊舱，结构传力不合理。当在吊耳处增加横向加强筋后，最大应力（300MPa）和位移（5.5mm）减小很明显，一阶模态固有频率变高（10Hz），和吊耳处有框的计算结果类似，此结构能起一定的加强作用。当仅在纵向设置加强筋的情况下，位移仍然很大（34mm）传力效果不是很好。当设置双向加强筋的情况下，应力和位移都变得比较小，加强筋将力传递到附近的加强框，从而达到与有框结构相同的效果。

3 结语

综上所述，吊舱在吊耳位置的加强框将吊舱截面固定成一个整体，将吊耳位置的集中力分散到整个截面，因此，增加了舱体的抗弯刚度，起到很好的传力作用。同时变截面和带撑杆的加强框能够达到等强度要求，减少了材料，从而减轻框的重量。对于不能在吊耳处设置加强框的情况下，应该在吊耳处设置横向和纵向的加强筋，增加吊耳周围的刚度，将力以最有效的方式传递到附近的加强框上。