某飞行器电池支架结构设计及强度分析 某飞行器电池支架结构设计及强度分析
钟杰华， 卢琦， 李晶
（中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076）
摘 要：飞行器在飞行过程中，内部电气设备支架承受振动、过载等复杂载荷，为了保证飞行器内部电池固定安全可靠，需要对其支架结构进行合理设计和强度分析。文中设计了一种类似“簸箕”形状的悬挂式电池支架，使用Hypermesh软件对支架进行了四边形壳单元建模，并对结构进行强度计算分析，得出了支架的应力和变形云图。结果表明：电池支架结构方案设计合理，可满足载荷、重量及刚度等设计要求。
关键词：电池支架；重量；壳单元；有限元分析；应力；变形
0 引言
航天飞行器在飞行过程中，由于受到振动和过载等复杂载荷条件影响，其内部固定电气设备支架易出现结构设计不合理而造成电气设备损坏。控制及测量系统上广泛应用的银锌电池[1]，关系到飞行器的安全使用，为保证飞行过程中银锌电池能正常工作，需要对其固定支架进行合理设计，确保电池支架结构具有良好的强度、刚度及稳定性。国内外针对飞行器电池支架结构设计和分析的报道较少。
本文根据某飞行器电池的安装位置、载荷情况及操作等要求，完成电池支架的结构设计，并使用Hypermesh软件对支架进行四边形壳单元建模，计算电池的应力和变形云图，对支架的强度、刚度进行校核分析。
1 电池支架结构设计
表1 电池过载条件（使用载荷）
说明：横向载荷表示其作用于垂直于纵向的任一方向;纵向和横向载荷同时存在;纵向载荷中“+”表示压缩，“-”表示拉伸。
图1 电池安装位置及三维尺寸图
飞行器电池外包络尺寸为230 mm×180 mm×240 mm（每个方向偏差均为±2 mm），重量12 kg，其中230 mm× 240 mm为安装面，激活方向为高度240 mm，即Y正向。电池安装于承力梁角隔位置，飞行器飞行过程中，电池主要受到来自火箭轴向（图1的X向）及横向（图1的X、Z向）的过载（表1）、振动和冲击等动载荷。要求电池支架可满足飞行载荷要求，利于电池安装便捷性，结构设计质量不超过1 kg。
根据电池的外形尺寸、重量、安装位置以及安装操作的方便性等因素，并且电池安装面与箭体轴向要求平行，电池支架应设计成悬挂式安装支架。
悬挂式支架主要由侧板（左右各1件）、横梁、前角材、后角材、钢带1、钢带2、螺钉、轴等组成。支架采用铝合金铆接结构，根据电池质量及支架结构受力情况，采用4个M8螺钉将电池支架与承力梁进行连接固定；侧板、横梁、前角材、后角材等均采用2 mm厚2A12弯制，并经淬火、表面进行阳极化处理；电池支架卡带材料选用厚度为0.3 mm软质1Cr18Ni9Ti钢带，钢带1与电池接插件相碰处，通过开长圆形孔进行避让并保证安装拉紧时钢带与接插件不发生干涉；在支架与电池接触部分的零件表面粘贴若干片毛毡，以增加支架对电池的紧合力；电池安装时，松开电池支架上的螺钉，打开钢带，将电池装入电池支架内。装好电池后，重新将螺钉拧入轴内，固定电池。经分析统计，电池支架整体重量为0.75 kg，可满足重量设计要求。电池支架结构设计，如图2和图3所示。
图2 电池支架结构设计三维图
图3 电池及支架组合图
图4 电池支架简化分析三维模型
图5 电池支架有限元模型
表2 材料力学性能参数信息
2 有限元强度分析
电池支架框架是由钣金冲压薄板结构件相互铆接而成，其厚度方向的尺寸远小于其它2个尺寸，符合壳单元的假设，可以采用壳单元对其进行有限元建模。基于Hypermesh的有限元计算的前处理过程包括：导入几何模型、几何清理、划分网格、定义材料特性、定义单元属性、施加约束及载荷等[3-5]。
2.1 有限元模型
在飞行载荷作用下，电池支架对电池主要起到包裹和约束滑动的作用，电池的载荷主要由左右侧板、前后角材及横梁相互连接固定组成的类似“簸箕”结构来承担。因此，对图2电池支架简化成图4的结构形式，主要分析验证类似“簸箕”支架结构强度是否满足设计要求。去除不锈钢钢带、拧紧轴、螺钉等零件，将三维模型保存为x_t格式，导入到HyperMesh v10.0软件，抽中面后采用二维四边形单元网格进行划分，单元边长为2 mm。采用RBE2单元来模拟侧板、横梁、角材之间的铆钉连接；在电池质心处建立1个集中质量单元，采用RBE2单元来施加电池的集中质量载荷。模型共划分29 590个四边形单元，7个RBE2刚性单元，有限元建模、载荷数据均选用毫米制（SI-mm），支架有限元模型如图5所示。
2.2 材料性能参数
电池支架材料选用铝合金2A12，表2为计算时所选取的材料性能参数。
2.3 载荷与边界条件
电池支架主要受电池的轴向过载及横向过载作用，根据表1给定的电池过载条件，安全系数取1.5，电池支架轴向（沿-Y向）最大载荷为1006 N（12 kg×5.7×9.8 N/kg× 1.5＝1006 N），横向（X、Z向）最大载荷265 N（12 kg×1.5× 9.8 N/kg×1.5＝265 N）。电池支架通过4个M8螺栓悬挂于井字梁，因此在有限元模型中把4个连接孔位置的节点进行了固支。按照表1，电池支架纵向和横向载荷同时存在，因此分析了电池支架以下两种典型工况的强度，工况载荷如表3。
表3 电池支架载荷工况 N
2.4 计算结果分析
利用Hyperworks中的Optistruct求解器对电池支架的有限元模型进行求解。
工况1电池支架变形云图及应力云图分别如图6及图7所示。最大变形发生在左右侧板前端的翻边，为0.064 mm，最大变形量能够满足使用要求；最大应力21.53 MPa，发生在左右侧板的立板与底板拐角处，满足材料的使用要求。
图6 工况1电池支架变形云图
图7 工况1电池支架应力云图
图8 工况2电池支架变形云图
图9 工况2电池支架应力云图
表4 有限元计算结果汇总表
工况2电池支架变形云图及应力云图分别如图8及图9所示。最大变形发生在左右侧板前端的翻边，为0.042 mm，最大变形量能够满足使用要求；最大应力15.3 MPa，发生在左右侧板的立板与底板拐角处，满足材料的使用要求。
对电池支架的强度分析情况汇总如表4，支架变形及最大应力均较小，支架刚度较好，可满足载荷要求。
3 结论
根据电池的安装及载荷情况，电池支架设计成悬挂式安装支架，类似“簸箕”式结构可承受飞行载荷，钢带保证了电池安装的便捷性和位置固定，整体结构方案设计合理，可满足载荷、重量和使用要求。
[参考文献]
[1]徐金.锌银电池的应用和研究进展[J].电源技术,2011(12):44-46.
[2]尹云玉.固体火箭载荷设计基础[M].北京:中国宇航出版社,2007.
[3]王钰栋,金磊.Hypermesh/Hyperview应用技巧与高级实例[M].北京:机械工业出版社,2012.
[4]史锐,钟杰华,周蓓.舱体结构强度有限元分析[J].导弹与航天运载技术,2015(2):72-75.
[5]李楚琳,张胜兰,冯樱，等.HyperWorks分析应用实例[M].北京:机械工业出版社,2008.
（编辑 黄 荻）
Structural Design and Strength Analysis of Battery Bracket for Some Aircraft
ZHONG Jiehua,LU Qi,LI Jing
(R&DCenter,China AcademyofLaunch Vehicle Technology,Beijing100076,China)
Abstract：During the aircraft flying,the brackets of internal electricity equipments bear complicated loads,namely vibration and overload etc.In order to guarantee safe,reliable fastness of the battery in the aircraft,reasonable structural design and strength analysis are necessary for the battery bracket.A hanging type structure is designed for the battery bracket of'dustpan'shape.Hypermesh software is used to build model of the square hull unit of the battery bracket,and intensity finite element analysis of the battery bracket is carried out.Result of stress and stiffness is calculated.The results prove that structural design of the battery bracket is reasonable;can meet design requirements of load,weight and rigidity etc.
Key Words：battery bracket;weight;hull unit;finite-element-analysis;stress;stiffness
中图分类号：V 414.1
文献标志码：A
文章编号：1002－2333（2017）07－0031－03
作者简介：钟杰华（1981—），男，硕士，工程师，从事飞行器结构设计及有限元分析工作。
收稿日期：2017-01-10
某飞行器电池支架结构设计及强度分析 某飞行器电池支架结构设计及强度分析
钟杰华， 卢琦， 李晶
（中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076）
摘 要：飞行器在飞行过程中，内部电气设备支架承受振动、过载等复杂载荷，为了保证飞行器内部电池固定安全可靠，需要对其支架结构进行合理设计和强度分析。文中设计了一种类似“簸箕”形状的悬挂式电池支架，使用Hypermesh软件对支架进行了四边形壳单元建模，并对结构进行强度计算分析，得出了支架的应力和变形云图。结果表明：电池支架结构方案设计合理，可满足载荷、重量及刚度等设计要求。
关键词：电池支架；重量；壳单元；有限元分析；应力；变形
0 引言
航天飞行器在飞行过程中，由于受到振动和过载等复杂载荷条件影响，其内部固定电气设备支架易出现结构设计不合理而造成电气设备损坏。控制及测量系统上广泛应用的银锌电池[1]，关系到飞行器的安全使用，为保证飞行过程中银锌电池能正常工作，需要对其固定支架进行合理设计，确保电池支架结构具有良好的强度、刚度及稳定性。国内外针对飞行器电池支架结构设计和分析的报道较少。
本文根据某飞行器电池的安装位置、载荷情况及操作等要求，完成电池支架的结构设计，并使用Hypermesh软件对支架进行四边形壳单元建模，计算电池的应力和变形云图，对支架的强度、刚度进行校核分析。
1 电池支架结构设计
表1 电池过载条件（使用载荷）
说明：横向载荷表示其作用于垂直于纵向的任一方向;纵向和横向载荷同时存在;纵向载荷中“+”表示压缩，“-”表示拉伸。
图1 电池安装位置及三维尺寸图
飞行器电池外包络尺寸为230 mm×180 mm×240 mm（每个方向偏差均为±2 mm），重量12 kg，其中230 mm× 240 mm为安装面，激活方向为高度240 mm，即Y正向。电池安装于承力梁角隔位置，飞行器飞行过程中，电池主要受到来自火箭轴向（图1的X向）及横向（图1的X、Z向）的过载（表1）、振动和冲击等动载荷。要求电池支架可满足飞行载荷要求，利于电池安装便捷性，结构设计质量不超过1 kg。
根据电池的外形尺寸、重量、安装位置以及安装操作的方便性等因素，并且电池安装面与箭体轴向要求平行，电池支架应设计成悬挂式安装支架。
悬挂式支架主要由侧板（左右各1件）、横梁、前角材、后角材、钢带1、钢带2、螺钉、轴等组成。支架采用铝合金铆接结构，根据电池质量及支架结构受力情况，采用4个M8螺钉将电池支架与承力梁进行连接固定；侧板、横梁、前角材、后角材等均采用2 mm厚2A12弯制，并经淬火、表面进行阳极化处理；电池支架卡带材料选用厚度为0.3 mm软质1Cr18Ni9Ti钢带，钢带1与电池接插件相碰处，通过开长圆形孔进行避让并保证安装拉紧时钢带与接插件不发生干涉；在支架与电池接触部分的零件表面粘贴若干片毛毡，以增加支架对电池的紧合力；电池安装时，松开电池支架上的螺钉，打开钢带，将电池装入电池支架内。装好电池后，重新将螺钉拧入轴内，固定电池。经分析统计，电池支架整体重量为0.75 kg，可满足重量设计要求。电池支架结构设计，如图2和图3所示。
图2 电池支架结构设计三维图
图3 电池及支架组合图
图4 电池支架简化分析三维模型
图5 电池支架有限元模型
表2 材料力学性能参数信息
2 有限元强度分析
电池支架框架是由钣金冲压薄板结构件相互铆接而成，其厚度方向的尺寸远小于其它2个尺寸，符合壳单元的假设，可以采用壳单元对其进行有限元建模。基于Hypermesh的有限元计算的前处理过程包括：导入几何模型、几何清理、划分网格、定义材料特性、定义单元属性、施加约束及载荷等[3-5]。
2.1 有限元模型
在飞行载荷作用下，电池支架对电池主要起到包裹和约束滑动的作用，电池的载荷主要由左右侧板、前后角材及横梁相互连接固定组成的类似“簸箕”结构来承担。因此，对图2电池支架简化成图4的结构形式，主要分析验证类似“簸箕”支架结构强度是否满足设计要求。去除不锈钢钢带、拧紧轴、螺钉等零件，将三维模型保存为x_t格式，导入到HyperMesh v10.0软件，抽中面后采用二维四边形单元网格进行划分，单元边长为2 mm。采用RBE2单元来模拟侧板、横梁、角材之间的铆钉连接；在电池质心处建立1个集中质量单元，采用RBE2单元来施加电池的集中质量载荷。模型共划分29 590个四边形单元，7个RBE2刚性单元，有限元建模、载荷数据均选用毫米制（SI-mm），支架有限元模型如图5所示。
2.2 材料性能参数
电池支架材料选用铝合金2A12，表2为计算时所选取的材料性能参数。
2.3 载荷与边界条件
电池支架主要受电池的轴向过载及横向过载作用，根据表1给定的电池过载条件，安全系数取1.5，电池支架轴向（沿-Y向）最大载荷为1006 N（12 kg×5.7×9.8 N/kg× 1.5＝1006 N），横向（X、Z向）最大载荷265 N（12 kg×1.5× 9.8 N/kg×1.5＝265 N）。电池支架通过4个M8螺栓悬挂于井字梁，因此在有限元模型中把4个连接孔位置的节点进行了固支。按照表1，电池支架纵向和横向载荷同时存在，因此分析了电池支架以下两种典型工况的强度，工况载荷如表3。
表3 电池支架载荷工况 N
2.4 计算结果分析
利用Hyperworks中的Optistruct求解器对电池支架的有限元模型进行求解。
工况1电池支架变形云图及应力云图分别如图6及图7所示。最大变形发生在左右侧板前端的翻边，为0.064 mm，最大变形量能够满足使用要求；最大应力21.53 MPa，发生在左右侧板的立板与底板拐角处，满足材料的使用要求。
图6 工况1电池支架变形云图
图7 工况1电池支架应力云图
图8 工况2电池支架变形云图
图9 工况2电池支架应力云图
表4 有限元计算结果汇总表
工况2电池支架变形云图及应力云图分别如图8及图9所示。最大变形发生在左右侧板前端的翻边，为0.042 mm，最大变形量能够满足使用要求；最大应力15.3 MPa，发生在左右侧板的立板与底板拐角处，满足材料的使用要求。
对电池支架的强度分析情况汇总如表4，支架变形及最大应力均较小，支架刚度较好，可满足载荷要求。
3 结论
根据电池的安装及载荷情况，电池支架设计成悬挂式安装支架，类似“簸箕”式结构可承受飞行载荷，钢带保证了电池安装的便捷性和位置固定，整体结构方案设计合理，可满足载荷、重量和使用要求。
[参考文献]
[1]徐金.锌银电池的应用和研究进展[J].电源技术,2011(12):44-46.
[2]尹云玉.固体火箭载荷设计基础[M].北京:中国宇航出版社,2007.
[3]王钰栋,金磊.Hypermesh/Hyperview应用技巧与高级实例[M].北京:机械工业出版社,2012.
[4]史锐,钟杰华,周蓓.舱体结构强度有限元分析[J].导弹与航天运载技术,2015(2):72-75.
[5]李楚琳,张胜兰,冯樱，等.HyperWorks分析应用实例[M].北京:机械工业出版社,2008.
（编辑 黄 荻）
Structural Design and Strength Analysis of Battery Bracket for Some Aircraft
ZHONG Jiehua,LU Qi,LI Jing
(R&DCenter,China AcademyofLaunch Vehicle Technology,Beijing100076,China)
Abstract：During the aircraft flying,the brackets of internal electricity equipments bear complicated loads,namely vibration and overload etc.In order to guarantee safe,reliable fastness of the battery in the aircraft,reasonable structural design and strength analysis are necessary for the battery bracket.A hanging type structure is designed for the battery bracket of'dustpan'shape.Hypermesh software is used to build model of the square hull unit of the battery bracket,and intensity finite element analysis of the battery bracket is carried out.Result of stress and stiffness is calculated.The results prove that structural design of the battery bracket is reasonable;can meet design requirements of load,weight and rigidity etc.
Key Words：battery bracket;weight;hull unit;finite-element-analysis;stress;stiffness
中图分类号：V 414.1
文献标志码：A
文章编号：1002－2333（2017）07－0031－03
作者简介：钟杰华（1981—），男，硕士，工程师，从事飞行器结构设计及有限元分析工作。
收稿日期：2017-01-10