弹射座椅锁臂变形分析

航空救生中的弹射座椅是飞机的重要安全装置，也是当前救生系统中最为广泛、可靠的救生工具。弹射救生装置性能的好坏，直接关系到飞行员的生命安全和飞机的作战能力，因而受到世界各国的高度重视。虽然弹射座椅的性能和可行性逐年在不断提高，但救生成功率却没有明显的提高，而国产弹射座椅存在的诸多安全问题与其装置的性能有直接关系，如联锁装置中锁臂的变形量过大，就有可能致使打火机构在舱盖没有打开时提前工作，将致救生失败［1］等。这些安全隐患直接威胁着飞行员生命安全，严重制约了航空弹射救生装置成功率的提高。本文中依据某型弹射座椅，基于有限元分析软件ANSYS，对锁臂进行了变形仿真分析，明确了锁臂上的最大变形量出现的部位，并找到了锁臂上强度薄弱的危险部位，提出了在保留原联锁装置的各组成不变的前提下的锁臂结构尺寸改进方案，为联锁装置关键零部件的优化设计提供参考，对提高弹射座椅安全性能具有积极意义。

1原理描述与分析

1.1弹射过程简述当飞机处于危急状况或是即将失事时，飞行员启动弹射系统，实施应急离机措施［2］。弹射系统一般由中央拉环、滑轮组件、钢索组件、弹簧机构、联锁装置、拉杆、摇臂、应急弹射手柄等组成如图1所示，当采用主弹射系统时，飞行员用力向上拉中央拉环，拔掉程序燃爆器的打火销，程序燃爆器产生的燃气推动燃气动作筒的活塞打开弹簧机构的保险销。弹簧机构活塞向下运动时，首先通过断接滑轮拔掉抛盖燃爆器的打火销，使舱盖抛放;同时拉动摇臂，摇臂的转动使JD-1紧带的火药机构打火，强制拉紧飞行员;由于保险钢球阻止锁臂的旋转，使拉杆不能向下运动。当座舱盖抛掉后，联锁装置中的保险钢球也被带走，弹簧机构活塞继续向下运动，通过拉杆拔出弹射机构的打火销，使座椅打火弹射。在弹射座椅动力作用下人椅系统迅速离机直至安全着陆。1.2故障原因分析弹射座椅联锁装置的作用是保证抛掉座舱盖，保险钢球被拔走后，弹射机构才拔出打火销，座椅打火弹射。从查阅的大量资料［1，3，4］及对某些试验场的数据分析，发现许多弹射救生的安全问题是联锁装置的打火机构提前打火引起的，其原因可能是锁臂出现较大的变形，致使打火机构在舱盖没抛掉时就提前工作。因此，有必要对联锁装置锁臂的变形问题进行深入细致的研究。

2锁臂的有限元分析

2.1模型的建立有限元分析的前处理是创建实体模型以及有限元模型，它包括创建实体模型，定义单元属性，划分网格等内容［5］。实体模型的建立有两种方法，输入法和创建法。本文运用三维绘图软件Pro/E绘制锁臂模型，然后直接输入ANSYS软件中。生成节点和单元网格的划分包括3个步骤:1)定义单元格属性。单元类型选用实体十节点四面体单元即Tet10note187。2)定义网格生成控制。网格划分的方式采用自由划分，单元尺寸控制方式使用智能划分，即“SmartSizing”。这种控制方式考虑了几何图形的曲率以及线与线的接近程度，并且网格控制设置在1(最密的网格)到10(最粗的网格)之间［6］，便于对网格大小的控制。3)生成网格。网格划分结果如图2所示。

2.2模型的加载对于建立的锁臂的有限元模型，需要通过加载来检查锁臂的载荷条件的响应。从弹射过程的分析中可以看出，弹射联锁装置的锁臂主要受到拉杆施加给锁臂的拉力F与杯形件给予锁臂的阻力f(钢球重量G相对较小可忽略不计)。如图3所示，在固定孔处施加自由度约束，选择allDOF。图4为锁臂模型在受载变形后的总位移图。由图4可知，锁臂的拐角处及其周围部位的变形较小，锁臂的前端和上端处的变形较大，这些部位正是与联锁装置其它构件连接之处，其位移量的大小直接影响打火机构工作顺序。如图5所示，锁臂在上述载荷作用下的等效应力分布图。可以看出，锁臂模型的中端和固定孔处所受的应力最大，为363MPa，其次是拐角处，为283MPa这几处都是锁臂强度薄弱的部位，要提高锁臂的强度，就要从这些危险部位的结构设计上想办法。

3锁臂的结构改进及分析

3.1锁臂结构改进要点座椅弹射操纵系统传动机构各部位的行程都有严格要求，以确保座椅在弹射时按预定程序工作。由于在联锁装置中受到其它构件的牵制，锁臂所处部位空间有限，为了使弹射系统结构组成不发生较大的改变，可对锁臂的几何尺寸进行适当修正，使其具有足够的强度和刚度。针对原锁臂强度薄弱环节，主要采取的措施包括:适当增大锁臂拐角处的圆角半径或增加锁臂厚度，以增大受力面积，减小锁臂应力集中。如图6所示，增大锁臂前端部的圆弧半径，由R4.5改为R6;增大锁臂拐角部位的圆弧半径，由R10改为R15;同时将锁臂固定孔处厚度由3mm增加到3.6mm。

3.2改进后的锁臂变形分析在同等的载荷条件下，对改进后的锁臂进行变形仿真分析，结果如图7所示。由图7可以看出，与改进前的相比，锁臂前端仍为最大变形的部位，但其最大变形量由先前的0.769mm变为了0.425mm。图8为改进后锁臂模型的等效应力分布图，与改进前的相比，拐角处及固定孔处的应力大幅减小至198MPa左右，与改进前的363MPa相比，减幅约为45.4%。锁臂中端应力较改进前也有所减小，为255MPa，与改进前的363MPa相比，减幅约为29.8%。由此可见，改变锁臂的结构尺寸，可有效的改善锁臂的应力大小，可提高锁臂的强度，同时，可以控制锁臂端部的变形量，防止打火机构提前工作。

4两种结构尺寸的锁臂变形响应

后处理是检查ANSYS分析的结果。通用后处理模块POST1是检查分析结果的重要后处理器。它可以检查模型指定点的特定结果相对于载荷的变化、检查和分析结果列表。同时，POST1也提供了其它功能，如载荷工况组合、结果数据的计算和路径操作等。通过主菜单中的GeneralPostproc可以直接进入到通用后处理模块［6］。图9为锁臂结构尺寸改进前、后，拐角处节点34061和24288的应变响应曲线。可以看出，随着载荷的增大，应变也随之增大;应变的变化与载荷的变化成正比。另外，改进后的锁臂在拐角处达到最大应变时的载荷要明显大于改进前的，表明改进后锁臂拐角处的承载能力有所增强，有利于锁臂拐角处的抗断裂能力的提高。图10为锁臂结构改进前、后，其前端与上端某一节点位移随载荷变化的响应曲线。从图10中可以看出，锁臂前端节点15417和14153、上端节点45461和19689的位移变化与载荷变化成正比。在相同的载荷条件下，改进后锁臂的位移相对于改进前的要小，表明改进后锁臂前端与上端刚度有所增强，提高了锁臂前端、上端抗弯能力，有助于提高锁臂的可靠性。

5结束语

1)分析弹射座椅联锁装置中锁臂的变形量是影响弹射系统各机构协调工作的主要影响因素之一。2)对锁臂的受力变形进行了分析研究，提出了锁臂结构的改进方案，对改进后的锁臂进行了有限元分析。结果表明，锁臂的关键位置点的变形量明显减小，说明改进方案的有效性。