某民用飞机精密设备安装支架的优化设计 -行业资讯

　　民用飞机由于尺寸日趋增大，结构越来越复杂，设备越来越精密，对设备的使用环境提出了越来越高的要求。但机载设备的日益精密和飞机载荷的日趋复杂成为一个影响飞机安全的重要矛盾。设备如果使用环境不能满足要求，将导致设备错误指令，甚至停止工作等不良后果，对飞行安全造成不同程度的影响。本文将以某飞机直接模式速率传感器支架为例，来说明如何使设备支架满足安全要求的同时结构**化。直接模式速率传感器为飞行控制系统中的精密仪器，对飞行控制精准度有较高的要求，在设备使用时即要满足飞机过载要求，还要满足一定的振动环境要求。由于设备本身的改进非常复杂，涉及到的技术也存在一定的瓶颈，所以综合考虑研发费用和时间，提出优化支架结构以提高整体一阶固有频率的思路。
　　
　　本文在基本支架结构的基础上，针对该设备的要求，不断改进初始设计，再利用OptiStruct优化软件进行尺寸优化，最终得到一个令人满意的设计结果。
　　
　　1 结构建模
　　
　　1.1结构形式
　　
　　该传感器支架位于飞机前部电子设备舱底部，如图1-1所示。在图中标明的FR6框和FR7框及一号长桁和二号长桁之间，分布有两个支架（用黄色方框标明），两个传感器分别固定在这两个支架上，并且关于飞机航向左右对称。
　　
　　每个支架由顶部安装板及四个连接挡板组成，为了提高刚度，将顶部安装版和连接挡板的四周都进行了一定程度的弯边。在CATIA中建立模型，并且按照飞机设计的基本要求，将铆钉布置在所有板上。建立好的初始支架模型如图1-2所示。
　　
　　
　　1.2仿真模型
　　
　　前部电子设备舱中的直接模式速率传感器(DMRS)支架有限元建模主要部件有：DMRS设备及其支架、中央下壁板局部、机身框局部、底部中间连接角盒等。
　　
　　利用HyperMesh前处理软件，将DMRS设备简化成一个集中质量(conm2)单元，与支架之间用RBE2单元相连。DMRS支架采用SHELL单元模拟，支架五个组件之间的铆钉连接用RBE2单元模拟，如图1-3所示。
　　
　　周边结构包括蒙皮、机身框和底部中间连接角盒，采用SHELL单元模拟，支架与周边结构、蒙皮与框之间的铆钉连接都是用RBE2单元模拟，如图1-4所示。
　　
　　为了得到支架的局部模态，将整个模型的四边节点施加固支约束。
　　
　　
　　1.3计算结果
　　
　　将模型提交Nastran进行计算，得到支架局部一阶模态，小于最小固有频率要求，所以需要更改结构以增加一阶固有频率。

　　
　　从一阶模态结果的振型中可以看到，支架与两侧框相连接的地方相对刚度较弱，导致支架左右摇摆，故后期可以考虑增加支架与框相连接的挡板面积。
　　
　　2 修改结构
　　
　　2.1**次修改结构
　　
　　根据上面的结构，增加支架与框连接部位的挡板面积，将其延长到基本与蒙皮接触的部位，如图2-1所示。为了尽量减轻零件重量，将不在铆钉连接部位的翻边进行斜坡处理。

　　
　　重新提交计算后，可以得到支架的一阶局部模态，如图2-2所示。结果较之前的结构小幅提高了，且支架局部一阶模态由左右摇摆变成上下振动。由此可见，在支架两侧增加的挡板面积对结构刚度起到了一定的作用。
　　
　
　　2.2第二次修改结构
　　
　　由于**次修改结构的支架一阶局部模态变为上下振动，可见在侧向的刚度可能不足，所以将另一边挡板加长，使支架形成一个封闭的盒状结构。盒状结构的好处是在任何一个方向都提供较高的刚度，在理论上可以大幅提高结构的刚性。
　　
　　另一方面考虑工艺流程和轻量化要求，在侧板内侧开一个不规则的椭圆孔，方便螺栓的安装，也在一定程度上降低了支架的质量，如图2-3所示。
　　
　　
　　再次提交计算，可以得到支架的局部一阶模态（即模型第二阶模态），如图2-4所示，较最早的结构大幅提高。该结构虽然目前没有满足该传感器对于一阶模态的要求，但是可以通过尺寸优化增加板厚，进而进一步提高其刚度。
　　
　　
　　3 细节优化
　　
　　3.1求解器
　　
　　OptiStruct是一个**优化求解器，该求解器可以求解包括拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、自由尺寸优化、自由形状优化等等。为了找到**壁厚尺寸，本文采用此求解器进行尺寸优化计算。
　　
　　3.2尺寸优化
　　
　　首先，将原有的Nastran使用的bdf文件转化为OptiStruct使用的fem文件。然后将盒状支架所有板厚作为设计变量，把支架局部模态（即模型第二阶模态）约束为目标值以下，最小质量为目标函数进行尺寸优化。需要注意的是，在该优化中，所有板厚的初始值采用模型原初始值，而板厚范围根据不同约束分为三个方案：
　　
　　
　　需要注意是，在方案三中，由于原属性厚度初始值中存在超过3mm的值，违反软件中的优化规则，所以将方案三中所有初始值改变为2mm。
　　
　　经过若干轮循环，最终所有的方案都不能收敛，计算结果第二阶模态均小于目标值。目标函数的收敛曲线和二阶模态的收敛曲线如图3-3到3-5所示。
　　
　　
　　那么查看结果中属于该支架的局部模态，发现方案一和方案二在十阶模态内没有出现支架局部模态，十阶模态中的**模态均已经到达目标值，那么可知该支架已经满足设计要求。而方案三中支架的局部模态出现在整体一阶模态中，不符合要求。
　　
　　那么，根据经济性要求，综合各方面的要求，选择方案二作为最终优化方案。原板厚和更改后的板厚如图3-7所示。图中顶部安装版和四边侧板的厚度均有所增加，圆角处的厚度有一定程度的减少。按优化方案二，板厚变化导致支架的最终质量由0.64kg变为1.09kg，增加了0.45kg，而且大幅增加了支架局部一阶模态。

　　4 结论
　　
　　本文主要介绍了某飞机前部电子设备舱中直接模式速率传感器支架的设计及优化流程，借助模态的CAE仿真，设计出一个满足传感器要求的支架结构。
　　
　　首先，通过对最初结构的模态分析找到该支架与边框相连的薄弱部位，在此基础上进行了两面侧板的加强。然后再次通过模态分析找到另一个侧面的薄弱部位，对侧板进行了一定程度的延伸，最终确定了支架的外形结构。**通过基于OptiStruct的尺寸优化，找到**刚度性能时，零件各个特征面的厚度，从而最终确定支架尺寸。
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