李馳 趙秀峰

摘 要：針對一種發(fā)動機吊掛接頭的強度進行了工程計算和有限元分析，分別得到了接頭失穩(wěn)載荷，應(yīng)力應(yīng)變以及失穩(wěn)模態(tài)，根據(jù)有限元分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和破壞模式進行了預測。通過試驗對兩種分析方法進行了對比驗證。結(jié)果表明，對于接頭這類非標準結(jié)構(gòu)，有限元分析比工程計算具有更高的失穩(wěn)及應(yīng)力應(yīng)變計算精度，同時可以得到失穩(wěn)模態(tài)，預測破壞形式。

關(guān)鍵詞：吊掛接頭；工程計算；有限元分析；失穩(wěn)；破壞形式

中圖分類號：V216 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）09-0087-03

Abstract： The engineering calculation and finite element analysis of the strength of a kind of engine hoisting joint are carried out， and the unstable load， stress strain and instability mode of the joint are obtained respectively. According to the results of finite element analysis， the instability and failure mode of the structure are predicted. The two analytical methods are compared and verified by experiments. The results show that the finite element analysis has higher precision of calculation of instability and stress-strain than the engineering calculation for the non-standard structures such as joints， and can obtain the instability mode and predict the failure form at the same time.

Keywords： hanging joint； engineering calculation； finite element analysis； instability； failure form

引言

發(fā)動機吊掛是連接飛機機翼與發(fā)動機的重要部件，其中“L”型接頭與加筋壁板鉚接組合為其常見形式，被廣泛應(yīng)用于各型飛機的吊掛結(jié)構(gòu)中，其具有受載大的特點。當接頭承受壓載時，與其相連的加筋壁板往往會發(fā)生失穩(wěn)甚至破壞，給飛機安全帶來隱患，因此在設(shè)計時需特別注意。

目前對于吊掛接頭的強度分析通常采用工程計算方法，利用該方法對接頭這種非標準結(jié)構(gòu)進行強度計算主要有以下缺點：（1）應(yīng)力/應(yīng)變計算精度不夠；（2）失穩(wěn)載荷計算不夠準確；（3）失穩(wěn)/破壞模式難以預測。本文介紹了一種發(fā)動機吊掛接頭的有限元強度分析方法，通過與工程計算結(jié)果進行對比并通過試驗驗證，說明了該分析方法的優(yōu)勢所在。

1 工程計算

以圖1所示的“L”型接頭為例進行工程計算，由于虛線框內(nèi)為該結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，即最容易發(fā)生失穩(wěn)/破壞區(qū)域，因此將該區(qū)域作為分析考核段?？己硕螢槭茌S壓的加筋平板，其總體失穩(wěn)臨界應(yīng)力公式為[1]：

經(jīng)計算得到的失穩(wěn)載荷比為57.7%。

2 有限元分析

以圖1所示的“L”型接頭為例，采用Patran&Nastran;軟件進行有限元建模[2]。

2.1 有限元建模及材料性能

接頭耳片采用實體單元Tet4（四節(jié)點四面體）進行網(wǎng)格劃分，加筋平板采用Quad4（四邊形殼單元）建模。接頭耳片與加筋壁板之間采用RBE2（剛體元）進行連接，用來模擬二者之間的鉚釘連接，有限元模型如圖3所示，材料及性能見表2。

2.2 邊界條件及載荷施加

“L”型接頭通過加筋平板兩端鉸支約束，在有限元模型中，分別約束加筋平板兩端的X向、Y向和Z向平動，約束點與平板筋條通過RBE2（剛體元）進行耦合。載荷施加在接頭耳片耳孔中心點，中心點通過RBE2（剛體元）與耳孔內(nèi)圈耦合，載荷大小見表1。

2.3 求解

首先，對于接頭采用Nastran中的線性模塊（Linear Static）進行分析，得到其在最大載荷下考核段區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變。

其次，對于接頭加筋平板的壓縮穩(wěn)定性采用Nastran中的屈曲模塊（Buckling）進行分析，該模塊是通過提取使線性系統(tǒng)剛度矩陣奇異的特征值來獲得接頭的臨界失穩(wěn)載荷及失穩(wěn)模態(tài)。其求解原理如下：

根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變云圖可知，1～3區(qū)域截面為應(yīng)力最大區(qū)域，結(jié)構(gòu)在該處最容易發(fā)生破壞，再結(jié)合失穩(wěn)模態(tài)圖，預測考核段應(yīng)先于該區(qū)域發(fā)生失穩(wěn)，其失穩(wěn)形式為向接頭內(nèi)側(cè)彎折，隨著載荷的逐步增大，考核段彎曲變形愈發(fā)嚴重，最終應(yīng)當為整個截面的失穩(wěn)破壞，并伴隨有筋條的彎曲或斷裂。

3 試驗驗證與對比分析

為比較工程計算方法與有限元分析方法的準確性，通過接頭試驗進行驗證。試驗件通過支持夾具固定在承力墻上，試驗支持夾具與試驗件下端過渡段通過連接帶板連，與試驗件上端通過接頭連接。試驗件安裝及支持示意圖如圖5所示。

表3為穩(wěn)定性計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比，表4為有限元分析應(yīng)變結(jié)果與試驗結(jié)果的對比。由表4知工程計算的失穩(wěn)載荷結(jié)果與試驗結(jié)果相比誤差較大，且結(jié)果偏危險。這主要是因為本例中的考核段不是標準的加筋壁板，其兩側(cè)筋條與中間兩根筋條尺寸差別較大，同時平板中間有部分被銑削變薄的區(qū)域，這些都對工程計算的結(jié)果造成了影響。

而采用有限元分析方法可以較為準確的計算出失穩(wěn)載荷，誤差僅為1%，且計算結(jié)果較為保守（見表3）；采用有限元分析方法得到的考核區(qū)應(yīng)變與試驗結(jié)果吻合較好，誤差均較?。ㄒ姳?）。主要原因是采用有限元分析方法是基于有限元模型進行計算的，只要模型與真實結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、材料性能等保持一致，就能夠較為準確的計算出失穩(wěn)及應(yīng)力/應(yīng)變結(jié)果，從而避免采用工程方法計算非標準結(jié)構(gòu)帶來的誤差。

試驗件最終破壞形式主要有考核段加筋平板向內(nèi)側(cè)彎折，考核段側(cè)緣出現(xiàn)撕裂以及考核段內(nèi)側(cè)加強筋出現(xiàn)彎曲變形等，如圖7所示。

由試驗件破壞形式可以看出，通過有限元分析方法預測得到的失穩(wěn)區(qū)域和破壞形式與試驗結(jié)果相吻合。有限元分析方法在應(yīng)力/應(yīng)變分析和失穩(wěn)分析方面都具有很高的計算精度，同時可以得到失穩(wěn)模態(tài)，預測破壞模式，與工程計算方法相比具有明顯優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

本文對一種常見的吊掛“L”型接頭強度進行了工程計算和有限元分析，并進行了試驗驗證。對于非標準結(jié)構(gòu)，采用有限元分析方法可以得到更為精確的應(yīng)力/應(yīng)變和失穩(wěn)載荷，同時，采用有限元分析方法可以得到與試驗結(jié)果相近的失穩(wěn)模態(tài)，并預測結(jié)構(gòu)破壞形式。

參考文獻：

[1]《飛機設(shè)計手冊》總編委會.飛機設(shè)計手冊：第9冊載荷，強度和剛度[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[2]T.H.G.Megson.飛機結(jié)構(gòu)分析概論[M].北京：航空工業(yè)出版社，2016：225-235.

[3]鄭潔，任善.復合材料加筋壁板穩(wěn)定性分析研究[J].飛機工程，2015（1）：43-46.

[4]張耀光，宮宇，邢利君.航空發(fā)動機關(guān)鍵制造技術(shù)分析與應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（07）：104.

[5]潘凡.航空發(fā)動機臺架試車工藝流程介紹[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（24）：16.