解放

(沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所,遼寧沈陽(yáng) 110035)

有限元中模擬鉸接耳片的一種方法

解放

(沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所,遼寧沈陽(yáng) 110035)

本文提出了在有限元中模擬鉸接耳片的一種方法。利用不共用節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)三角板單元模擬耳片,在相同位置設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn),采用MPC將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)連接,利用位移協(xié)調(diào)條件協(xié)調(diào)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在耳片平面內(nèi)的平動(dòng)位移,釋放兩個(gè)單元在該位置的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度及垂直耳片平面的自由度,從而使三角板單元只傳遞平行于耳片的剪力,而不再傳遞其它方向的力和力矩,更為準(zhǔn)確地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的傳力特點(diǎn)。

有限元 鉸接 耳片

1 背景

鉸接耳片是飛機(jī)上最常用的連接方式,被大量用于機(jī)身與機(jī)翼對(duì)接,舵面與翼盒對(duì)接等重要連接部位,而在有限元計(jì)算中準(zhǔn)確的模擬鉸接耳片不僅能夠真實(shí)的反映飛機(jī)局部連接構(gòu)件的承載能力,更有利于分析飛機(jī)的整體傳力路線。在工程上,鉸接接頭在傳力時(shí),只傳遞平行于耳片的剪力,常用的直接采用共用節(jié)點(diǎn)連接的三角形殼單元的模擬方式,不但傳遞了三個(gè)方向的力,同時(shí)也傳遞了三個(gè)方向的力矩。因此常規(guī)的簡(jiǎn)化方式不符合接頭的實(shí)際傳力方式,這在大型有限元分析尤其是全機(jī)有限元分析中,不能夠正確地模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的傳力特點(diǎn),從而不能為連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核提供較準(zhǔn)確的載荷。

本文利用不共用節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)三角板單元模擬耳片,在相同位置設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn),采用MPC將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)連接,利用位移協(xié)調(diào)條件協(xié)調(diào)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在耳片平面內(nèi)的平動(dòng)位移,釋放兩個(gè)單元在該位置的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度及垂直耳片平面的自由度,提出這種模擬耳片鉸接的方法,能夠只傳遞平行于耳片的剪力,而不再傳遞其它方向的力和力矩,使鉸支傳力與工程實(shí)際更加相符。

2 常規(guī)模擬鉸接接頭的方法

對(duì)于鉸接接頭,在常規(guī)的有限元模型簡(jiǎn)化時(shí),一般將接頭耳片簡(jiǎn)化為三角形殼單元,耳片連接采用共用節(jié)點(diǎn)的方式。

算例：計(jì)算某型飛機(jī),在某設(shè)計(jì)狀態(tài)下,鉸接接頭的傳力情況,節(jié)點(diǎn)131364為耳片連接采用共用節(jié)點(diǎn),見(jiàn)圖1。

圖1 常規(guī)模擬鉸接接頭的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖2 新方法模擬鉸接接頭的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

從圖1中可以看出,直接采用共用節(jié)點(diǎn)連接的三角形殼單元不但傳遞了三個(gè)方向的力,同時(shí)也傳遞了三個(gè)方向的力矩。而在工程上,鉸接接頭在傳力時(shí),只傳遞平行于耳片的剪力。因此,常規(guī)的簡(jiǎn)化方式不符合接頭的實(shí)際傳力方式。

這是因?yàn)?殼單元具有膜、彎曲、橫向剪切及耦合剛度,可以傳遞任意形式的力和力矩。在以往的分析中,由于兩個(gè)單元只有一個(gè)共用節(jié)點(diǎn),只考慮了該節(jié)點(diǎn)對(duì)力的傳遞,并沒(méi)有注意到由于單元特性而引起的力矩的傳遞。因此,這種模型簡(jiǎn)化方法對(duì)于鉸接接頭的傳力來(lái)說(shuō)是不合理的。

3 一種模擬鉸接的新方法

常規(guī)模型簡(jiǎn)化方法存在不合理性的根本原因是單元之間的連接關(guān)系模擬不當(dāng)導(dǎo)致傳力特點(diǎn)發(fā)生了變化。解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵所在,也就是根據(jù)結(jié)構(gòu)的傳力特點(diǎn),選用正確的方法對(duì)單元進(jìn)行連接,從而得到更為合理的傳力分析結(jié)果。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有有限元軟件中各種類型單元的比較與分析,提出了最為有效的方法是,使模擬耳片的兩個(gè)三角板單元不共用節(jié)點(diǎn)直接連接,而是在相同位置有兩個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn),采用MPC將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)連接,利用位移協(xié)調(diào)條件約束,即只協(xié)調(diào)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在耳片平面內(nèi)的平動(dòng)位移,從而將兩個(gè)單元在該位置的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度及垂直耳片平面的自由度釋放掉,這樣就保證了耳片傳力的正確性。

值得注意的是,由于鉸接接頭只傳遞平行于耳片的力,因此,應(yīng)針對(duì)耳片在其面內(nèi)建立局部坐標(biāo)系,同時(shí)修改節(jié)點(diǎn)屬性,選用耳片的局部坐標(biāo)系,再根據(jù)局部坐標(biāo)系,設(shè)定位移協(xié)調(diào)方向。

保證原有算例的初始條件不變,只修改鉸接接頭的模擬方式,得到以下數(shù)值計(jì)算結(jié)果,節(jié)點(diǎn)131369為耳片連接采用共用節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖2)。

由圖2可以看出,采用適當(dāng)?shù)腗PC連接,兩個(gè)三角形單元間只傳遞耳片平面內(nèi)的力,而不再傳遞其它力和力矩,這就符合了實(shí)際耳片的傳力方式?？梢?jiàn),通過(guò)這種連接方式,很好地解決了耳片傳力的有限元模型簡(jiǎn)化問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,說(shuō)明以往有限元模型中接頭的簡(jiǎn)化方式是完全傳力結(jié)構(gòu),也就是說(shuō),既傳遞三個(gè)方向的力,也傳遞了三個(gè)方向的位移,不符合鉸接耳片的傳力特點(diǎn),而按新方法模擬耳片的連接,只傳遞平行于耳片的剪力,這與工程實(shí)際相符。在以后的有限元分析工作中,對(duì)于此類連接結(jié)構(gòu),采用這種模型簡(jiǎn)化方法,能夠更為準(zhǔn)確地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的傳力特點(diǎn),從而得到更為合理的計(jì)算結(jié)果。

(2)本文的方法是在飛機(jī)的全機(jī)有限元建模分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題并提出的解決方案,有著很實(shí)際的工程意義：鉸接耳片的有限元簡(jiǎn)化方法,很好地解決了常規(guī)方法導(dǎo)致的接頭傳遞實(shí)際并不存在的載荷的問(wèn)題,這在大規(guī)模有限元分析尤其是全機(jī)有限元分析中,能夠正確地模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的傳力特點(diǎn),從而可以為連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核提供更為準(zhǔn)確的載荷,使強(qiáng)度分析工作有更高的可靠性。

[1]Patran 2006與Nastran 2007有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程 機(jī)械工業(yè)出版社,2008年.