飞机惯性基准装置安装强度分析

严文军

【摘 要】民用飞机机载设备中惯性基准装置是一个重要的航电系统设备，对于其安装结构的强度和刚度有着严格的要求，以保证其在各种载荷状况下能正常工作。本文介绍了惯性基准装置安装强度的分析过程和方法，对其振动模态进行了分析，得出了强度结论，对类似的飞机机载设备及其结构的强度分析，提供了参考。

【关键词】惯性基准；安装支架；强度；模态分析

0 引言

随着民用飞机对飞行性能的要求不断提高，飞机设计中对机载设备工作的可靠性和稳定性有了更高的要求。航电系统是飞机重要的控制系统，惯性基准装置是航电系统中的导航设备，提供飞机俯仰，横滚，航向以及及时地理位置等信息。为了确保设备测量信息的准确性，惯性基准装置的安装有着严格的要求，其与安装托架的固有共振频率应大于180Hz，以确保设备与安装结构的刚性连接，避免振动和弹性形变对输出的加速度和角速率信号的精度产生影响。为了满足这个设备对于安装支架强度和刚度的要求，保证飞机的安全，本文利用有限元分析方法对支架进行静强度和模态分析，评估结构的安全性。

1 有限元模型简介

惯性基准装置安装于机头，通过支架安装在机身结构上，安装支架结构采用7000系列机加件，各零件通过螺栓装配在一起。安装结构包括3个支架，惯性基准装置通过4个螺栓与安装支架相连，支架与机身结构的框通过铆钉连接。

采用有限元分析方法对惯性基准装置安装支架结构进行有限元建模，并将设备等结构简化为质量点，支架有限元模型如图1，分析模型中包含支架周围的主结构，主结构范围为沿飞机纵向前后各一个框，垂向和横向均延伸至横梁或纵梁。零件用Shell单元模拟，紧固件用bush单元模拟，设备质量用conm2质量单元模拟，并考虑了设备的转动惯量，设备质量点通过rbe2连接到安装螺栓上。惯性基准装置安装组件结构通过铆钉与机身结构相连，使用bush单元模拟。最后，在主结构的延伸边界上施加刚性固定约束。

2 载荷概述

按照适航规章CCAR25部的要求，支架结构需要满足305、307条款的要求，确保飞机结构的安全性，此外，为了确保惯性基准装置在应急着陆情况下能正常工作，还需满足561条款的要求。因此，惯性基准装置静强度计算考虑的载荷为飞机的过载包线和应急着陆载荷。

2.1 全机过载包线

惯性基准装置安装结构静强度计算考虑的载荷为飞机在空中和地面过程运行中产生的载荷，通过全机的计算分析得到，在计算时，限制载荷需要考虑1.5的载荷系数，作为极限载荷使用。

2.2 应急着陆载荷

惯性基准装置安装结构还需考虑CCAR-25中的561条款规定的应急着陆载荷，惯性载荷大小和方向为：向前9g，向后1.5g，向上3g，向下6g，向左3g，向右3g。

3 应力结果及静强度分析

惯性基准装置只考虑惯性载荷，根据第2节中的载荷，静强度计算包含6个工况，分别为：向前9g，向后1.5g，向上3g，向下10.4g，向左3g，向右3g。

使用nastran软件对有限元模型进行静力计算，得到6个计算工况下的零件应力和紧固件受力，通过与零件材料和紧固件的许用值相比，可以计算得到结构静强度的裕度，从而评估安装结构的安全性。

3.1 零件校核

惯性基准装置安装支架紧固件的最大剪力发生在向前9g工况下，为1334N，紧固件为MS20470AD5铆钉，紧固件直径为3.97mm，零件厚度为2mm，零件的许用挤压强度为723MPa，计算得到安全裕度为3.30。

4 模态分析

为了满足设备安装的频率要求，需要对安装结构进行模态分析。因此，在对模型进行模态分析后，计算模型自由振动的频率，得到安装结构的一阶频率是238Hz，大于设备要求的180Hz，所以安装支架结构的刚度符合要求，结构的一阶振型如图3所示。

5 结束语

本文对惯性基准装置安装支架的有限元建模分析，得到了静强度和模态计算结果，分析结果表明安装结构满足强度和刚度要求。

飞机机载设备的载荷环境比较复杂，针对不同设备有一些特殊的载荷要求，需要进行强度分析来确保其安装结构的安全性。此外，由于电子设备对于振动环境有较高的要求，一般需进行模态分析以避开共振频率，避免干扰设备的正常工作或使其由于振动造成失效。本文通过对飞机惯性基准装置安装的载荷、静强度和振动进行分析，可以对类似的飞机机载设备强度分析提供参考。

【参考文献】

[1]刘鸿文.材料力学[M].高等教育出版社，2003，3.

[2]飞机设计手册·9·载荷、强度和刚度[M].航空工业出版社，2001.

[责任编辑：杨玉洁]