一种受强冲击的载荷设备连接板设计.doc

一种受强冲击的载荷设备连接板设计邓小国1 江波1 黄伟1 杨晓许1 郑志奇1(1、中科院西安光学精密机械研究所光电跟踪与测量技术研究室，西安，710119)摘要：为提高悬臂梁式的连接板冲击韧性，保证连接板在强冲击力的作用下，不会发生失效现象，对构件的参数进行了优化设计，保证设备同时对构件外形尺寸、质量和强度的要求。根据构件承受的动载荷，采用动静法对其应力和应变进行了校核，并通过对悬臂梁的理论仿真计算分析了在后峰锯齿波冲击下的应力和应变，结果与理论计算基本一致，表明连接板的理论强度校核方法合理有效。最后通过对力学试验后的连接板进行了X射线探伤，没有发现裂纹，验证了理论计算和仿真分析的正确性。关键词：悬臂梁;动静法;冲击载荷 中图分类号：TH131.9 文献标识码：AThe Design of Connecting Plate of Loads Equipment Under Strong ImpactDeng Xiao-guo1, Jiang Bo1, Yang Xiao-xu1, Huang Wei1, Zheng Zhi-qi1（1、 Xian Institute of Optics And Precision Mechanics of CAS, Xian 710119）Abstract：In order to improve the impact toughness of the cantilever connecting plate and ensure the connecting plate will not become invalid under the strong impact force, the parameters of the component were optimal designed for ensuring the dimensions, mass and strength of the component meet the equipment requirements. Based on the dynamic loads of the component, using the dynamic static method to check its stress and strain, and by the theoretical simulation of the cantilever analyzes the stress and strain of the impact of post-peak sawtooth wave, the result is consistent with the theoretical calculations, and showing that the theoretical strength checking method of connecting plate is reasonable and effective. Finally, the connecting plate was checked by X-ray after the mechanical test, and no crack was found, which verified the correctness of the theoretical calculation and simulation analysis.Key words: cantilever; dynamic static method; impact load1 概述1 引言基金项目：中国科学院2010年西部博士基金第一作者：邓小国，男，博士，副研究员，主要从事光学载荷应用技术研究。图1 连接板二维结构Fig.1 Two-dimensional structure of connecting plate通常情况下飞机负载设备受飞机载荷舱空间和飞机的承载能力限制影响，负载的体积和质量在设计时必须有严格的控制要求，对设备的机械零件尺寸需要同时进行质量和力学性能的优化设计，满足零件材料力学性能的要求时，还需满足零件的轻量化设计要求，以保证零件在恶劣的环境下工作时不发生疲劳破坏和弹性变形后不会碰撞到载机上的其它设备。本文设计的连接板属于悬臂梁，是机载设备与载荷舱梁固定连接的关键零件，此件需要承受载机在飞行过程中传递过来的冲击和振动作用力，而这些作用力还没有通过减震器对冲击能的衰减和对振动的隔离，在设计时需要计算动载荷作用下的动应力和动变形，优化设计尺寸保证系统对零件的质量要求。2 连接板结构设计2 连接板结构设计连接板的结构形式和外形受安装空间的限制，需要采用悬臂梁的结构形式，具体结构如图1所示。连接板通过两列共6个1的孔用螺栓与安装梁固联，连接板下部有四组共16个大小为2的孔，用螺栓将连接板与四只等刚度减震器连接，减震器与设备的其余部分连接。每个减震器的四个安装孔间距为L1=W2，其中有两只减震器位于安装孔1的外侧，减震器悬臂距离为L2，斜拉杆与悬臂之间的夹角为16.56，减震器中心距离斜拉杆右端距离为L3，同时对连接板进行轻量化设计，采用多出筋结构形式，保证构件的强度和高度，减小其重量，如图1中所示。因此，工作时连接板的受力情况比较复杂，需要对其进行强度和形变校核。3 动静法校核冲击载荷下连接板的强度和形变3 连接板受力后的应力应变计算3.1 最大应力和变形计算连接板的受力简图如图2(a)所示，建立如图2(a)中所示的坐标，由连接板和减震器的设计参数知：外力在z方向施加的后峰锯齿波加速度作用下，通过减震器衰减后的残差为10g，求解梁的支反力及其在x和z方向上的支反力分量分别为：Fc=Fl2l4sinFcx=FccosFcz=FcsinA截面的约束反力FAx=Fcx=Fccos梁AB段的轴力图和弯矩图如图2(b)所示。由图知：在AC段既有轴力又有弯矩，是压缩和弯曲组合变形，C截面是危险截面，其轴力和弯矩分别为：N=Fcx，Mcmax=FAzl4C截面上的压缩应力和最大弯曲应力分别为：=NA，=McmaxWy梁的上下边缘各点压应力最大，强度条件为：max=+=NA+McmaxWy上式中A和Wz为梁的横截面积和抗弯截面系数，为许用应力。由材料力学查得矩形截面梁的抗弯截面系数为：Wy=16bh2上式中b为截面C处沿y轴方向的长度，h为沿z轴方向的高度。因此，最大应力为：max=Fl2bhl4ctan+6F(l2-l4)bh2图2 连接板的受力简图Fig.2 Force diagram of connecting plate由能量法解得冲击动荷系数Kd的表达式为：Kd=1+1+2T0Qstst其中Qst为连接板以下部分的重量，T0为连接板以下部分零件具有的初始动能，st为梁的静挠度。由梁的静载荷下变形计算得B截面处的静挠度为：st=Fl233EI因此，假设连接板以下部分的质量为m，施加在连接板上的冲击加速度为a、持续时间为t，则：Qst=mg， T0=12mv2=12m(at)2，代入动荷系数Kd的式中并简化得：Kd=1+1+gt2st=1+1+3EIgt2Fl2连接板在实际工作时Z向承受20g的后峰锯齿波t=11ms的冲击作用，经过减震器的吸能衰减还有50%的能量传递到连接板上，连接板以下部分的零件质量m=20Kg，l2=216mm，l4=148mm。将以上参数代入静应力、静应变和动荷系数计算式中分别计算得：max=9.12MPa，st=0.54mm，Kd=2.04。故连接板的最大冲击应力为：d=Kdmax=2.049.12=18.64MPa最大冲击应变为：d=Kdst=2.040.54=1.1mm3.2 FEA计算和试验结果对连接板进行FEA计算分析，采用2A12板状材料进行加工成形，实物及其与减震器的连接如图3所示。弹性模量E取图3 连接板实物外形Fig.3 Appearance of connecting plate71.5GPa，泊松比取0.33，将残余冲击能量按照刚性连接传递到连接板上，通过连接板的弹性变形对剩余冲击能量进行吸收。计算时将余能转换成静力，按照面力均匀施加在连接板上安装减震器的面上，将连接板与舱梁的连接孔及上表面进行约束。通过数值计算得到应变云图和应力云图分别如图4和图5所示。图4 应变云图Fig.4 Strain cloud images由图4知：最大应变为0.544mm，最大应变位置在连接板的最右端，与理论简化为悬臂梁计算位置一致，但是受理论计算方法与仿真计算时单元网格的划分、约束条件和载荷施加等条件的差异，导致应变最大值与理论计算值稍有差别。由图5知：最大应力为26MPa，与采用动静法计算出的应力最大值基本一致，而且应力最大值处于连接板C截面处的上下面区域，证明此处确为受力较图5 应力云图Fig.5 Stress cloud images为复杂的截面，通过设计时参数的优化设计，保证了构件的强度。连接板与设备其余部分组装并进行冲击试验后通过X光探伤检测，没发现裂纹，表明连接板抗冲击能力满足设计要求。4 结论机载设备在工作过程中常会承受外在冲击力的作用，此时构件产生较大的应力和应变，所以在设计工程中需要对构件进行强度校核。文中所涉及的连接板在使用中需要靠自身的弹性变形吸收一定量的冲击能量，设计过程中采用动静法对冲击应力进行了计算，并对结构参数进行优化设计。仿真计算和冲击试验结果表明连接板的结构设计和理论校核计算结果一致，保证了设备对连接板强度、刚度和轻量化的要求。参考文献1 岳文辉，杨书仪,文泽军等.机械冲击耐撞性与稳健设计J.振动与冲击, 2007，26(8): 76-80.YUE Wen-hui, YANG Shu-yi, WEN Ze-jun, et al. A discussion on mpact tolerance and rebust design of mechanical systemsJ. Journal of Vibration and Shock, 2007, 26(8): 76-80.2 蔡怀崇,闵行.材料力学M,西安：西安交通大学出版社,2004年:245-256.MIN Huai-chong, MIN Xing. Meterial of mechanicalM. Xian: Xian jiaotong university press, 2004: 245-256.3 繆宏,左敦稳,汪洪峰等.冲击载荷对飞机起落架螺纹连接的影响J.振动与冲击,2010,29(2):208-211.MIAO Hong, ZUO Dun-wen, WANG Hong-feng, et al. Effect of impact load on threaded connection of an aircraft landing gearJ. Journal of Vibration and Shock, 2010, 29(2): 208-211.4 冯益华,丁虹,程强.机械设计中的冲击和冲击失效J.山东轻工业学院学报,1998,12(2):9-12.FENG Yi-hua, DING Hong, CHENG Qiang. Shock and shock failure in mechine designJ. Journal of Shandong institute of light industry, 1998, 12(2): 9-12.5 陈从桂,于连玉,石世宏.机械设计中冲击载荷的定量分析J. 机械设计，2004,21(11):41-42,62.CHEN Cong-jia, YU Lian-yu, SHI Shi-hong. Quantitativ