太空飞行座舱骨架分析计算

太空飞行座舱骨架分析计算1计算模型简化说明与材料参数太空飞行座舱骨架，主要由型钢焊接而成，分析采用梁单元的力学模型。玻璃钢装饰品等附属质量产生的载荷，施加在太空飞行的整个钢架结构上，模拟这些附属构件对整个太空飞行主体钢架结构产生的影响。主体结构材料：Q235B钢（b=375MPa）。材料力学参量为：弹性模量E=2×105MPa，泊松比=0.3。由JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》的表C-1，Q235B、45#钢和高强螺栓的疲劳特性参数如表1-1所示。表1-1主要材料疲劳曲线数据序号1234567891011循环次数（N）1020501002002E31E42E41E52E51E6应力幅（MPa）Q235B4000282818971414106944126221413811486.245#钢36412633179713471025437275225151126102高强螺栓7931524131042207155249023518613111793.1S-N曲线如图1-1所示：图1-1主要材料的S-N曲线1.522.533.540.511.522.533.544.555.56循环次数(log)[N]许用应力幅(log)[MPa]Q235B45#螺栓材料2太空飞行载荷特性分析太空飞行的水平转盘，在回转电机作用下沿水平旋转的中心轴线做水平面上的旋转运动，角速度为1；同时，垂直转盘在电机作用下沿水平转盘支臂的中心轴线做垂直面上的旋转运动，角速度为2，座椅在固定在座椅悬臂上，绕垂直支臂的中心线做旋转运动，座角速度为3。座椅固定在悬臂上，受到复合离心力、重力作用，座椅的载荷作用示意图如图2-1所示：图2-1太空飞行载荷示意图座椅和乘人在运动过程中，始终受到重力作用，受到的重力大小为：000mFgQ（2-1）其中：g—标准重力加速度，9.8m/s2；0m—座舱组件质量（包括压杠、玻璃钢组件等），161kg；1Q—按照700N/人计算，2×700N/人=1400N。数据代入公式（2-1），求得：满载时竖直向下的力：000mFgQ=161×9.8+1400=2978N；太空飞行运转时，乘人和座椅一起，绕水平旋转的中心轴线做匀速圆周运动，角速度的大小为（由产品设计参数，水平角速度1=4r/min，垂直角速度2=5r/min，座舱角速度3=4r/min，）：14/rmin4/60rs0.067/rs20.067/rads0.42/rads25/rmin5/60rs0.067/rs20.067/rads0.52/rads34/rmin0.42/rads则水平旋转时，乘人和座椅产生的离心力：2101113()()FmmRR(2-2)其中：1R—垂直臂中心线的水平回转半径,值为4.922m；3R—座舱到垂直臂中心线的水平回转半径,值为2.19m；1m—两个乘人质量，共1400N，则：11Qmg14009.8=142.86kg。则水平旋转时，乘人和座椅产生的离心力：2101113()()FmmRR=（161+142.86）×0.422×（4.922+2.19）=381N；则垂直旋转时，乘人和座椅产生的离心力：220122()FmmR(2-3)其中：2R—垂直臂中心线的水平回转半径,值为2.262m。则水平旋转时，乘人和座椅产生的离心力：220122()FmmR=（161+142.86）×0.522×2.262=186N则座舱旋转时，乘人和座椅产生的离心力：230133()FmmR(2-4)=（161+142.86）×0.422×2.19=117N根据GB8408-2008《游乐设施安全规范》中4.2.3.2节：游乐设施进行强度计算时，其载荷（永久载荷及活载荷）必须乘以冲击系数K（太空飞行冲击系数的最大值取1.5）。座舱受到的向下载荷分量为：00FFK（2-5）=2978×1.5=4467N3座舱部件应力分析3.1乘人加速度与安全带验算设备在运行过程中只要有加速度就会产生惯性力，加速度越大惯性力越大。乘人本身质量产生的惯性力，会直接作用在乘人身上。惯性力超过了一定限度，就会对人身造成伤害，所以有必要规定加速度的允许值。《游乐设施安全规范》4.7.1节：为使乘人不受到伤害，游乐设施乘人的加速度应限制在一定范围内。太空飞行水平加速度：13zaaa（3-1）=2113()RR+233R=0.422×（4.922+2.19）+0.422×2.19=1.64m/s2水平加速度，即侧向加速度由《游乐设施安全规范》图2可知0.1s以上的稳态加速度，[az]=2.0g，太空飞行座椅的水平相对加速度'a=1.64m/s2=0.17g﹤[az]=2.0g，表明侧向加速度满足设计要求。竖直加速度，由第2节载荷特性分析可知，太空飞行在转动过程中，垂直臂绕水平臂转动，由第2节可知，垂直加速度：222220.522.262aR=0.612/ms（3-2）冲击系数K，是考虑竖直方向的重力加速度的增量，因此，在冲击作用下，竖直方向的等效加速度为：01.59.8aKg=14.72/ms（3-3）则竖直方向的最大加速度：2014.70.61yaaa=15.312/ms（3-4）由《游乐设施安全规范》图3可知竖直向下[az]=4g。竖直向下相对加速度：a=15.312/ms=1.56g﹤[az]=4g，表明竖直方向加速度满足设计要求。由《游乐设施安全规范》7.6.7节：安全带宜采用尼龙编织带等适于露天是用的高强度带子，带宽应不小于30mm，安全带破断拉力不小于6000N。由设计图纸可知，安全带的宽度≥40mm，破断拉力≥6000N。表明安全带满足设计要求。3.2座舱骨架的计算3.2.1有限元模型对座舱底板组焊件建立有限元模型。建立座舱骨架的详细模型，采用2节点的梁单元（BEAM188），并进行网格划分。如图3-1所示。（1）座舱整体网格（2）俯视图网格（3）座舱后部网格（4）局部网格图3-1座舱框架网格划分3.2.2载荷与约束由3.1节可知，满载工况下，由于转动离心力的作用，考虑冲击载荷的影响，竖直方向，施加15.312/ms的竖直向上加速度，水平方向施加1.64m/s2的加速度。另玻璃钢和压杠的总质量为53Kg(由三维图可得)，考虑两个乘人的质量142.86Kg,作为质量载荷，附加在骨架的相应部位。座舱主梁通过轴承与座舱臂连接，连接部位施加全约束。如图3-2所示。（1）载荷（2）约束图3-2载荷与约束3.2.3应力计算结果座舱的最大应力，出现在座舱支架中部，max=31.30MPa，max37531.30bn=12.0，如图3-3（2）。（1）整体应力云图（2）局部应力云图图3-3座舱计算结果3.2.4座舱焊缝验算提取两端固定点的支反力。如图3-4所示。（1）靠背侧支反力（2）靠背侧支反力值（3）前侧支反力（4）前侧支反力值图3-4座舱固定部位支反力座舱运行中，考虑冲击等综合因素影响，靠背侧受到3041.8N的向下拉力（靠背侧支反力大于前侧，故按照靠背侧支反力验算焊缝和座舱旋转轴），为简化计算，假设所有载荷由座舱端面法兰和座舱主梁之间的纵焊缝承担，切应力沿焊缝长度方向均匀分布，焊缝截面切应力：0.7fffFhl（3-5）其中：fF—连接构建的轴向力，值为3041.8N；fh—连接角焊缝的厚度，值为10mm；fl—连接角焊缝的长度之和，焊缝长2X180=360mm。疲劳安全系数n扭的计算（运行中，焊缝载荷呈周期性变化，保守计算，按照对称循环校核）：1enK（3-6）式中：1—扭转疲劳极限，1=105MPa（由《机械设计手册》表6-1-1）K—有效应力集中系数与尺寸因素的比值，侧焊缝应力集中系数为3.4，尺寸因素取1.0，则值为3.4，—表面质量系数，未加工表面，值为0.75.代入数据到公式（3-5），求得座舱焊缝应力为：3041.80.710360=1.2MPa应力安全系数：375221.2bn=221；由公式（3-6），求得座舱焊缝疲劳安全系数为：1053.41.20.75en=19.33.3座舱旋转轴的计算座舱旋转轴通过调心轴承与座舱臂相连，在太空飞行的运行过程中，受到剪切力的作用，由3.2.4节可知，靠背部位轴的支反力最大，为3041.8N。旋转轴横截面面积：225044Ad=1963mm2(3-7)其中：d—旋转轴直径，值为50mm。最大应力：max3041.81963FA=1.55MPa(3-8)应力安全系数：max375221.55bn=171(3-9)其中：b—旋转轴材料为Q235B钢，b=375MPa。旋转轴在悬臂满载和空载等交替载荷下工作，旋转轴始终处于剪切状态，为保守计算，按照对称循环进行校核。应力幅：maxs=1.55MPa(3-10)疲劳安全系数：11052.091.550.810.95sK=24.9(3-11)其中：K—有效应力集中系数，故由《机械设计手册》附表6-1-3-2可取，值为2.09。—尺寸系数系数，值为0.81。—表明质量系数，由于轴进行精车加工，故由《机械设计手册》图6-1-37可取，值为0.95。4座舱部件分析结果汇总4.1结果汇总表表4-1所示为太空飞行座舱部件的应力值及相应的安全系数。以及关键零部件的疲劳安全系数。表4-1太空飞行座舱部件应力分析结果汇总表工况太空飞行各组件应力评价疲劳校核结论应力值（MPa）安全系数许用值安全系数许用值座舱骨架31.3012.03.5//满足条件座舱焊缝1.22215.019.31.3（1）满足条件座舱旋转轴1.551715.024.91.3满足条件乘人加速度水平0.17g2g//满足条件竖直1.56g4g//满足条件（1）根据《游乐设施实用手册》中GB8408-2008《游乐设施安全规范》：重要的轴、销轴及焊缝，除做应力计算外，宜做疲劳验算，两者都应满足给定的安全系数。强度校核表3规定：材料较均匀，载荷及应力计算较准确（对称循环）：n0≥1.3。4.2小结在离心力、冲击载荷的作用下，对太空飞行座舱部件在满载工况下，分别并对主要零部件、焊缝进行应力计算，并对主要的焊缝、轴进行了强度分析和疲劳校核。分析结果表明：（1）座舱骨架部件的应力，满足设计要求；（2）座舱主要焊缝、旋转轴为无限疲劳寿命，疲劳安全系数满足设计要求。（3）乘人加速度满足要求，乘人不会有不适感觉。