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        發(fā)動機吊架結(jié)構(gòu)等效建模及靜力學(xué)分析

        2016-09-06 09:35:34查夢江張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖南張家界427000
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年10期
        關(guān)鍵詞:吊架載荷網(wǎng)格

        查夢江,王 巖(張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 張家界 427000)

        發(fā)動機吊架結(jié)構(gòu)等效建模及靜力學(xué)分析

        查夢江,王巖
        (張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南張家界427000)

        本文針對某型號飛機發(fā)動機吊架裝置結(jié)構(gòu)進行研究,通過建立吊架結(jié)構(gòu)的簡單力學(xué)模型并對其進行有限元分析,根據(jù)實際受力情況,獲得其在不同工況下的應(yīng)力及變形情況,對其應(yīng)力進行了分析,驗證其設(shè)計結(jié)果的合理性,從而提高經(jīng)濟性。

        發(fā)動機吊架;靜力學(xué)分析;ANSYS

        1 引言

        近年來,隨著科技的不斷進步,民航飛機有著向大型化、高性能化發(fā)展的趨勢,飛機承受的載荷越來越復(fù)雜,因此,對飛機結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。發(fā)動機吊架是聯(lián)接飛機與發(fā)動機的關(guān)鍵裝置,它在承受發(fā)動機重量的同時,還需傳遞發(fā)動機的推力以及各種工況下的復(fù)雜載荷,其結(jié)構(gòu)的形式、重量、強度是影響飛機性能的重要因素。所以,合理設(shè)計發(fā)動機吊架結(jié)構(gòu)并對其進行各種工況下的靜力學(xué)分析顯得尤為重要。

        2 發(fā)動機吊架結(jié)構(gòu)的等效建模

        發(fā)動機吊架結(jié)構(gòu)一般用鋁合金、鈦合金或鋼制成,其結(jié)構(gòu)按連接方式的不同可分為:盒式梁式結(jié)構(gòu)、阻力支柱式結(jié)構(gòu)及超靜定式結(jié)構(gòu)[1]。本文采用盒式梁式結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的前接頭和后接頭之間力臂較大,吊架各接頭所受載荷顯著降低,節(jié)約了翼盒的重量,并可使下壁板局部區(qū)域的疲勞問題得到明顯改善。

        為了使建立的吊架結(jié)構(gòu)能夠反應(yīng)實際情況并保證計算精度,確保單元質(zhì)量,控制單元和節(jié)點數(shù),減小計算量,所以有必要對模型進行適當(dāng)?shù)暮喕?。在建立吊架簡單力學(xué)模型的過程中,應(yīng)遵守以下原則[2]:

        (1)吊架力學(xué)模型應(yīng)與實際形狀幾何結(jié)構(gòu)相同,并忽略某些次要部位,如螺栓連接等形成的螺紋以通孔代替;(2)忽略吊架內(nèi)部的電器部件,及相應(yīng)的安裝孔。吊架內(nèi)部安裝的電器部件不是吊架的承力結(jié)構(gòu),且其重量對吊架影響可忽略不計。(3)模型所受載荷、邊界約束條件應(yīng)與吊架真實結(jié)構(gòu)所受載荷及邊界約束條件相一致。

        根據(jù)上述簡化原則,并對發(fā)動機吊架結(jié)構(gòu)進行了相關(guān)測量,建立了發(fā)動機吊架結(jié)構(gòu)的簡單力學(xué)模型,如圖1所示。

        圖1 吊架結(jié)構(gòu)的簡單力學(xué)模型

        3 發(fā)動機吊架結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析

        3.1定義材料屬性和網(wǎng)格劃分

        將建好的模型導(dǎo)入ANSYS軟件中的workbench,定義鋁合金作為吊架結(jié)構(gòu)材料,其彈性模量為6.9GPa,泊松比為0.34,密度為2830。

        劃分網(wǎng)格時,不僅需要選擇劃分網(wǎng)格的方法,還需要選擇劃分網(wǎng)格的形狀、類型,同時還要根據(jù)分析精度,設(shè)定不同的單元格密度。該模型采用的Element Sizing 是20mm。網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖2所示。

        3.2確定約束條件

        在各種工況下,吊架與機翼的連接接頭不受彎矩,所以,前接頭提供垂直約束,即在前接頭螺栓孔圓柱面施加垂直方向的面約束,后接頭提供垂直和側(cè)向約束,剪切銷柱孔提供航向和側(cè)向約束。

        圖2 吊架網(wǎng)格劃分后有限元模型

        3.3載荷的施加并求解

        發(fā)動機吊架裝置主要承受發(fā)動機的推力和發(fā)動機慣性力,在不同的飛行狀態(tài)下,吊架承受載荷的種類和大小也不同。如果將發(fā)動機吊架所受慣性載荷轉(zhuǎn)換到吊架前、后安裝架上下表面中心,則得到表1和表2所示載荷(力單位為KN,力矩單位為)。

        表1 前安裝架所受載荷

        表2 后安裝架所受載荷

        根據(jù)表1和表2中所受載荷施加于前、后安裝架。施加載荷后,設(shè)定應(yīng)力和變形位移為求解參數(shù),求解,得到應(yīng)力應(yīng)變云圖和位移變化圖,如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

        3.4結(jié)果分析

        (1)從圖3可知,在著陸工況下,發(fā)動機吊架變形主要在航向-垂向平面,整體變形很小。吊架整體盒段略有俯仰變形,導(dǎo)致發(fā)動機產(chǎn)生俯仰偏轉(zhuǎn)。最大變形處位于前安裝架前沿,最大位移為2.4564mm,小于最大允許位移10mm,安全可靠;(2)從圖4可知,在著陸工況下,吊架整體應(yīng)力分布較均勻,前上梁和底梁部位應(yīng)力較小,平均應(yīng)力在50.74MPa左右,遠小于最大許用應(yīng)力301.9MPa。最大應(yīng)力出現(xiàn)在前、后接頭螺栓孔以及剪切銷柱孔部位,應(yīng)力值為455.82MPa,但小于材料屈服極限785MPa,安全可靠;(3)從圖5可知,在側(cè)移工況下,發(fā)動機吊架整體變形不大,吊架結(jié)構(gòu)有側(cè)向和滾轉(zhuǎn)變形,最大位移在前安裝架部位,總位移達到3.97mm,導(dǎo)致發(fā)動機產(chǎn)生側(cè)向偏轉(zhuǎn),但影響不大,安全可靠;(4)從圖6可知,在側(cè)移工況下,吊架結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布較均勻,前上梁、后上梁和底梁應(yīng)力較小,平均應(yīng)力值在58.41MPa左右,

        圖3 著陸工況位移圖

        圖4 著陸工況應(yīng)力云圖

        遠小于最大許用應(yīng)力301.9MPa,前安裝架和底梁連接部位所受應(yīng)力最大,為524.79MPa,但還是比材料屈服極限785MPa小很多,安全可靠。

        3.5總結(jié)

        從上述分析結(jié)果可知,在著陸和側(cè)移兩種工況下,發(fā)動機吊架結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形,有足夠的強度承受載荷,從而驗證了吊架結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,提高了經(jīng)濟性。

        [1]劉亞奇,胡錦旋,劉星北等.翼下發(fā)動機吊架及其與機翼連接結(jié)構(gòu)研究[J].民用飛機設(shè)計與研究,2009(增刊):74-76.

        圖5 側(cè)移工況位移圖

        圖6 側(cè)移工況應(yīng)力云圖

        [2]Sylvain Finette.Parametric finite element model of AIRBUS engine pylon with MSC.Patran.3rd MSC.Software Worldwide Aerospace Conference and Technology Showcase,Paper—2001—104.

        10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.002

        查夢江(1991-),男,江西九江人,本科,助教,研究方向:飛機、發(fā)動機方向。

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