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          飛機休息艙頂燈CAD/CAE實驗

          來源:互聯網????作者:孫宏麗??張泉清??曾慶兵

          0 引言

          自1917年美國在其使用的DH-4B飛機上開始使用單一白熾燈,以后照明燈數目和種類逐漸增加。1931年美國C-4飛機上應用導光體照明。二戰后1940年開始用熒光照明。五十年代西方國家大多數工作是進行紅光照明系統中的照明方式進行改進,對照明亮度和照明光色可調性的研究和改進。后來引起座艙照明使用場致發光,如本迪斯公司C-130B和美國F-4。在環境污染嚴重,保證可持續發展成為全世界探討和研究的重要課題時代,LED的誕生改變了照明產業的格局,成功應用在飛機照明領域。后來相繼發展了很多智能照明方法和手段。

          飛機座艙照明面臨著一系列錯綜復雜、相互交織的矛盾。隨著矛盾問題的出現,相應解決問題的方法和手段層出不窮。而CAD、CAE軟件作為輔助設計手段,不僅提高工作效率還可以保證可靠性、精確性。本文針對一種飛機休息艙頂燈的研制,采用CATIA軟件對艙頂燈進行結構設計與分析,得到的結果符合設計指標要求。

          1 飛機休息艙頂燈結構設計

          設計參考標準包括國軍標GJB2020-1994《飛機內部和外部照明通用規范》、GJB2020A-2012《飛機內部和外部照明設備通用規范》、GJB455-1988《飛機座艙照明基本技術要求及測試方法》等。航標HB6430-1990《飛機照明設備安裝通用規范》、《飛機照明顏色和信號顏色通用要求》等。

          1.1 組成

          休息區艙頂燈由燈罩安裝板、燈罩、反光板部件、印制導光板、底蓋、連接器及印制板燈組成。光源印制板部件貼裝在燈罩安裝板內側壁,燈罩、印制導光板依次裝在燈罩安裝板內,反光板部件置于印制導光板上;控制印制板部件通過螺釘固定在底蓋上,連接器固定在底蓋上,底蓋通過螺釘固定在燈罩安裝板上。其結構特點是:裝配和維修方便。需要時,采用通用螺刀,拆去4個安裝螺釘,將連接器斷開,便可對產品進行更換。

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          圖1 艙頂燈CATIA三維圖

          設計過程中涉及考慮以下幾點問題:

          (1)圓角

          燈罩安裝板不論內、外表面的轉折處均應設計成圓角,這樣不但機械強度高,外觀漂亮,通常為R1或者R2尺寸。燈罩與燈罩相合部位采用相同圓角尺寸相合。

          (2)壁厚

          燈罩安裝板壁厚均勻、厚薄適當且不應有突變,厚薄不同的部位應逐漸過渡。厚度即滿足支撐強度要求,又滿足輕質要求。燈罩安裝板等主要支撐部件一般采用鋁合金材料。

          (3)加強筋

          插座支架在90度拐角中心處有一加強筋,在不增大插座支架厚度的情況下,采用加強筋能夠增強其機械強度,同時還可以防止插座支架的翹曲。設計加強筋應注意掌握以下幾點:

          ①厚度應小于支架厚度,以免產生凹陷;

          ②高度不宜過大,否則會使筋部受力破壞;

          ③設置方向應與導線導出方向一致,很好的固定支撐連接器部件;

          (4)孔

          休息艙頂燈的安裝采用機械式安裝,主要利用螺釘進行固定。一般要求燈具孔的公差精度不高。休息艙頂燈的孔,應盡可能開設在不減弱整個燈具機械強度的部位。相鄰兩孔之間和孔與邊緣之間的距離對稱分布。

          1.2 結構設計準則

          1.2.1 工藝性

          零件應具有良好的工藝性。在樣機或小批量生產時應盡量避免采用鑄件、鍛件、沖壓件和注塑件,因為這需要模具來制造因而導致造價高和周期長,而直接采用棒料、板料(盡量避免用帶料,因帶料采購和落料都較困難)、型材或焊接件。對于產品來說,要求具有良好的裝配工藝性和維修工藝性。產品裝配工藝性要求相關零件盡量模塊化,每個模塊形成單獨的部件,這樣有利于車間進行流水作業,提高效率。另外還要求零件裝配必須有明確的定位基準面,沒有欠定位和過定位現象發生;零件裝配要便于操作;裝配質量要便于檢驗。產品維修工藝性要求易損零部件單獨成為一個裝配單元,能快速地拆卸和更換。

          1.2.2 重量

          航空類產品對重量的要求是非??量痰?,幾乎到了克克計較的程度。在結構設計時,盡量變集中載荷為分布載荷,以降低危險截面的應力。

          1.2.3 壽命和可靠性

          零部件和產品的壽命就是能滿足強度、剛度、精度和功能等綜合要求的預定時間。對于受靜載荷和無相對運動的結構類零部件來說(比如艙頂燈),在完成了強、剛度計算校核后,其壽命和可靠性基本上是可以信賴的。

          1.2.4 其它

          要求休息艙頂燈中的光源器件或電子元器件所產生的熱量,盡快散發出去。

          要求休息艙外殼具有良好的密封性。

          要求降低零部件的成本。

          1.3 休息艙頂燈CAE分析

          整個頂燈與飛機艙體固定連接,相對活動部件燈具的可靠性驗證要求低。不僅需要進行零部件的固有特性分析,還應該進行結構在飛機著陸受沖擊過程的振動分析??梢赃M行分析計算的CAE軟件很多,比如ANSYS等。這里采用CATIA自代零部件靜力學分析、模態分析對該頂燈零件進行固有特性分析。以底蓋零件為例,其材料為錯。在孔的位置有8個固定約束,分析結果如表1所示。

          表1 底蓋固有頻率

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          表1為底蓋前10階固有頻率。圖2是第一階固有頻率對應的第一階模態振型。從圖中可以看出底蓋凸臺是最容易變形的地方,而8個孔是應力集中的地方。

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          圖2 底蓋在第一階振型

          2 結論

          本文針對一種飛機休息艙頂燈結構設計進行了概述,分析了設計過程中的基本準則和需要考慮的幾點關鍵問題,最后采用CATIA軟件對頂燈進行了三維建模以及零部件的固有特性分析,設計的產品符合設計指標,并得到以下幾點結論:

          (1)燈罩安裝板不論內、外表面的轉折處均應設計成圓角;

          (2)燈罩安裝板壁厚均勻、厚薄適當且不應有突變,厚薄不同的部位應逐漸過渡。厚度即滿足支撐強度要求,又滿足輕質要求。

          (3)加強筋應注意:①厚度應小于支架厚度,以免產生凹陷;②高度不宜過大,否則會使筋部受力破壞;③設置方向應與導線導出方向一致,很好的固定支撐連接器部件;

          (4)休息艙頂燈的孔,應盡可能開設在不減弱整個燈具機械強度的對稱部位。

          本文同時給出了部分結構設計準則,提供參考。

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