某型飞机地板网格保型架转轴接头强度分析

付慧桥，丁先良，于德俊，王 莉

（1.航空工业江西洪都商用飞机股份有限公司，江西 南昌，330095；2.航空工业洪都，江西 南昌，330095）

0 引言

某型飞机地板网格保型架（下面简称“保型架”）由客舱地板网格翻转架（下面简称“翻转架”）带动从而将客舱地板网格从垂直状态翻转至水平状态，并运输至下一站位。翻转架由一个减速器和一个支撑架构成，减速器将人工输出的力矩转化为输出接头上的扭矩，输出接头将扭矩传递给连接在翻转架上的翻转架输入转轴接头（下面简称“转轴”），使保型架绕轴转动。

1 结构分析

如图1 所示，为保型架及转轴结构示意图。保型架两端分别为输入转轴接头及支撑转轴接头，其中输入转轴接头连接翻转架，传递力矩，带动并支撑保型架翻转，支撑转轴接头用于保型架翻转时起到支撑作用[1]。

图1 保型架及转轴结构示意图

如图2 所示，输入转轴接头由转轴及转轴固定板焊接组成，焊接固定板上开有8 个螺栓孔及2 个圆柱销孔，用于与保型架连接。

图2 输入转轴接头结构示意图

2 受力分析

为确保工人能够安全可靠地完成整个翻转过程，假定翻转时翻转启动力不大于10kg，即平稳力（F1）和增量推力（F2）之和不大于10kg：

翻转轴半径r=45mm，摩擦系数s=0.15，保型架和客舱地板网格总重量m=4570kg。

支座承受的压力为：

机身客舱地板网格克服摩擦力绕翻转轴输出扭矩为：

减速器传动比为i=47.5，减速器传动效率70%，

手动摇杆端所需输出力矩为：

摇臂长L=225mm，为克服摩擦力的摇臂输入载荷为：

由F1+F2＜10kg 可知，用于加速的增量推力（F2）需满足：F2≤5.88kg

取F=5.88kg，减速器传动效率70%，摇臂长L=225mm。 则摇臂有效输入扭矩为：

减速器传动比为i=47.5，后机身客舱地板网格绕翻转轴输出扭矩为：

在保型架启动时，联轴器同时承受摩擦力矩和启动力矩，故联轴器承受的最大力（扭）矩为：

转轴承受的最大载荷为保型架和客舱地板网格最大重量（m=4570kg），由于保型架和客舱地板网格由两个转轴支持。故单侧输入转轴接头承受的外载为：

3 结果分析及结构优化

利用ABAQUS 软件建立有限元分析模型，首先将CATIA 建立的三维模型导入至ABAQUS 中，然后在ABAQUS 中完成模型建立，施加上述分析中的约束、受力情况，并进行仿真分析。

3.1 转轴强度校核

进入ABAQUS 的job 模块[2]，提交分析，即可提取应力分析结果。中心转轴最大变形为1.49mm，如图3 所示；最大复合应力为156MPa，如图4 所示。中心转轴材料为45#钢，热处理至σb=600MPa，按工装强度设计要求，安全系数应不小于3，中心转轴抗扭安全余量为：

图3 转轴变形云图

图4 转轴应力云图

转轴强度满足要求。

3.2 转轴与转轴固定板焊接强度校核

保型架中心转轴与转轴固定板焊接，结构示意图如图5 所示，有限元模型如图6 所示。

图5 转轴与转轴固定板焊接示意图

图6 转轴与转轴固定板有限元模型

焊缝计算强度条件为：

式中：σ—焊缝的工作正应力，MPa；

σb—焊件基本材料的抗拉强度，MPa；

Sb—焊缝的破坏正应力，MPa；

K1—焊缝的强度削弱系数；

τ—焊缝的工作剪应力，MPa；

τf—焊缝的破坏剪应力，MPa；

K2—焊缝的拉剪系数。

有限元分析结果如图7 和图8 所示，其中图7 为焊缝拉应力云图，焊缝最大拉应力为:

图7 转轴及固定板焊缝正应力云图

图8 转轴及固定板焊缝剪应力云图

σ=81.7MPa；

图8 为焊缝剪应力云图，焊缝最大剪应力为:

τ=46.3MPa。

保型架中心转轴与转轴固定板材料为45# 钢，热处理至σb≥600 MPa，焊缝的强度削弱系数K1=0.9，焊缝许用拉应力为：

按工装强度设计要求，安全系数应不小于3，焊缝受拉安全余量为：

焊缝的拉剪系数K2=0.6，焊缝许用剪应力为：

按工装强度设计要求，安全系数应不小于3，焊缝受剪安全余量为：

保型架中心转轴与转轴固定板焊接强度满足要求。

3.3 转轴固定板与连接板1 连接强度校核

转轴固定板与连接板1 通过10 个螺栓（销钉）连接，其中8 个螺栓直径为16mm，2 个销钉直径为16mm，各连接件材料均为45#钢，热处理至σb≥600MPa, τb=420MPa。

转轴固定板与连接板1 结构示意图如图9 所示，有限元模型如图10 所示。其中8 个螺栓承受拉力，2个销钉承受剪力。8 个受拉的螺栓使用杆元模拟，2 个销钉使用MPC 模拟。

图9 转轴固定板与连接板1 结构示意图

图10 转轴固定板与连接板1 有限元模型

经分析可知，转轴固定板与连接板1 连接区最大复合应力为106MPa，如图11 所示；最大变形0.743mm，如图12 所示。直径为16mm 的螺栓最大拉力为P=7502.68N，16mm 销钉承受的最大剪力为Q=13727.55N，如图13 所示。

图11 转轴固定板与连接板1 连接区应力云图

图12 转轴固定板与连接板1 连接区变形云图

图13 转轴固定板与连接板1 连接螺栓载荷

按工装强度设计要求，安全系数应不小于3，转轴固定板与连接板1 连接区安全余量为：

转轴固定板与连接板1 连接区强度满足要求。16mm 螺栓破坏拉力为：

按工装强度设计要求，安全系数应不小于3，16mm螺栓受拉安全余量为：

16mm 螺栓受拉强度满足要求。

16mm 销钉破坏剪力为：

16mm 销钉受剪强度满足要求。

4 结语

对飞机地板网格输入转轴接头进行了受力分析，利用ABAQUS 软件建立了地板网格输入转轴接头的有限元分析模型，分析了转轴强度、转轴与转轴固定板的焊接强度以及转轴固定板与保型架的连接强度。根据分析结果可知，该设计满足强度要求。