韓斌慧，李占龍，王斌，楊保香

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空制造工程學(xué)院，陜西 西安 710089； 2. 陜西漢德森航空智造科技有限公司，陜西 西安 710089； 3. 太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024； 4. 山西大同大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 大同 037003)

0 引言

印記面在有限元工程計(jì)算中具有十分重要的意義。鄭吉良[1]在對(duì)等腰梯形蜂窩芯玻璃鋼夾芯板三點(diǎn)彎曲有限元分析中對(duì)被測(cè)板上下表面、側(cè)面大量使用到印記面；徐燚偉[2]在對(duì)行星式變速箱超越離合器優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，為了更好模擬片彈簧與滾柱接觸位置也采用到印記面；許哲[3]等對(duì)碼垛裝備運(yùn)動(dòng)特性仿真時(shí)，采用印記面以運(yùn)用剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)方法提高分析精度；郭彬[4]等在對(duì)刮板輸送機(jī)圓環(huán)鏈進(jìn)行現(xiàn)代化設(shè)計(jì)時(shí)，采用印記面精準(zhǔn)定義了圓環(huán)鏈和鏈輪之間的接觸；王昌[5]等在運(yùn)用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算鋼卷和扇形板之間的壓力時(shí)用印記面施加運(yùn)動(dòng)副；鄭甲紅[6]等在對(duì)青核桃進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)采用曲線印記面模擬核桃兩半殼體結(jié)合處，以實(shí)現(xiàn)不同方向的加載；劉東[7]等在對(duì)激光切割集裝箱液袋閥門(mén)孔裝置的設(shè)計(jì)中，通過(guò)解凍水平方向的矩形管從而建立印記面，對(duì)裝置上的支架進(jìn)行了強(qiáng)度校核，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性；周文[8]等在重型貨車(chē)車(chē)架性能校核過(guò)程中，通過(guò)使用印記面對(duì)汽車(chē)行駛過(guò)程中滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)、滿載制動(dòng)和滿載轉(zhuǎn)彎4種工況下的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了精確分析。綜上所述，印記面除了可以限定加載區(qū)域、施力點(diǎn)位置、載荷的作用方向，提高計(jì)算精度外，在設(shè)置接觸狀態(tài)及進(jìn)行特殊動(dòng)力學(xué)仿真過(guò)程中具有重要的作用。上述研究中文獻(xiàn)[4-5] 印記面屬于規(guī)則的弧形表面，其余文獻(xiàn)側(cè)重于規(guī)則平面印記面設(shè)置，加載方式簡(jiǎn)單。對(duì)于飛機(jī)制造業(yè)內(nèi)飾而言，多數(shù)表面屬于不規(guī)則光滑曲面，而適航規(guī)范中要求必須對(duì)光滑曲面進(jìn)行局部強(qiáng)度校核。在此背景下如何使用空間印記面要復(fù)雜得多，鮮有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)空間印記面的設(shè)置、使用進(jìn)行報(bào)道。結(jié)合某型飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)對(duì)該內(nèi)容進(jìn)行了研究，整機(jī)大約30件曲面內(nèi)飾板均采用此方法校核強(qiáng)度，效率明顯提高，可為機(jī)械產(chǎn)品類似光滑曲面局部強(qiáng)度校核提供借鑒。

1 問(wèn)題來(lái)源

飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)通常包含概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造、交付5個(gè)階段。概念設(shè)計(jì)由工業(yè)設(shè)計(jì)人員完成，其成果以內(nèi)飾效果圖體現(xiàn)；詳細(xì)設(shè)計(jì)是概念設(shè)計(jì)的“結(jié)構(gòu)化”實(shí)現(xiàn)，是在滿足適航要求和界面要求的前提下通過(guò)工程設(shè)計(jì)達(dá)到效果圖要求[9]。設(shè)計(jì)過(guò)程中按照協(xié)調(diào)美觀的原則設(shè)計(jì)裝飾板、儀表板、遮光板、座椅等詳細(xì)結(jié)構(gòu)。所有內(nèi)裝飾材料除符合FAA23(23部通用航空適航法規(guī))、CCAR-23R3(中國(guó)民用航空規(guī)章第23部)和HB5470-91(民用飛機(jī)艙內(nèi)非金屬材料燃燒性能要求)規(guī)定的阻燃、煙霧及毒性等指標(biāo)要求外，同時(shí)應(yīng)考慮降噪措施。尤其對(duì)于客艙內(nèi)裝飾的材料應(yīng)確保環(huán)保、堅(jiān)固、耐磨、耐潮濕、耐污染、耐老化和不易褪色。

圖1所示為某型飛機(jī)乘客艙左邊壁安裝位置示意及三維模型圖(僅示意內(nèi)飾板的安裝位置，三維圖和內(nèi)飾照片不存在嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系)，計(jì)算對(duì)象的左邊壁跨機(jī)艙出口。由于該結(jié)構(gòu)主要由一些光滑曲面連接構(gòu)成，為建模方便選擇Catia軟件實(shí)現(xiàn)。圖中邊壁和機(jī)殼連接采用特殊膠接方式固定，工程設(shè)計(jì)完成后必須對(duì)膠接強(qiáng)度進(jìn)行校核。設(shè)計(jì)規(guī)范為：可能與人體接觸的頂棚裝飾板、側(cè)壁裝飾板除要求與機(jī)艙內(nèi)形協(xié)調(diào)美觀外，在乘員可能碰到的任何區(qū)域，裝飾板在0.17 m×0.081 m范圍內(nèi)應(yīng)承受1 334 N的垂直載荷。

圖1 某型飛機(jī)乘客艙左邊壁安裝位置示意圖

2 問(wèn)題求解

對(duì)于該問(wèn)題，最便捷的辦法是采用有限元軟件進(jìn)行事前預(yù)測(cè)、根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改及設(shè)計(jì)優(yōu)化；將制造完成的內(nèi)飾件裝機(jī)后按照設(shè)計(jì)規(guī)范采用定值撞擊進(jìn)行驗(yàn)證，以對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。Ansys workbench軟件集建模、參數(shù)設(shè)置、分析計(jì)算和后處理功能于一身，使用操作直觀，因此選擇該軟件進(jìn)行分析。

2.1 有限元模型創(chuàng)建

a) 實(shí)體模型導(dǎo)入、轉(zhuǎn)化

為了方便利用Ansys workbench的DM模塊進(jìn)一步處理三維實(shí)體模型，Catia軟件建模完成輸出時(shí)保存成*.x_t的格式。在Ansys workbench中通過(guò)新建project菜單完成項(xiàng)目創(chuàng)建。并選擇分析類型，在新建項(xiàng)目窗口右擊Geometry選擇Import Geometry導(dǎo)入.x_t格式模型文件。在建模階段為了方便起見(jiàn)，與飛機(jī)機(jī)殼連接用的“幾”字形定位塊已經(jīng)與內(nèi)飾件設(shè)計(jì)成一體。為了正確設(shè)置印記面，在有限元分析中必須將所有的實(shí)體解凍，使得模型中的一個(gè)“Solid”分離成18個(gè)“Part”，否則后續(xù)設(shè)置無(wú)法進(jìn)行。點(diǎn)擊Tools菜單選擇Unfreeze命令，將一個(gè)完整的體解凍。鑒于該零部件安裝好以后與乘客接觸最多的區(qū)域在圓形窗口的下方，同時(shí)圖示黑色色塊標(biāo)注的位置相對(duì)最薄弱，因此選擇在此處建立印記面并計(jì)算強(qiáng)度，即符合民用航空設(shè)計(jì)規(guī)范。圖2所示為研究對(duì)象的有限元模型及擬設(shè)置空間印記面位置。

圖2 乘客艙左邊壁有限元模型及擬設(shè)置印記面位置

b) 印記面的創(chuàng)建方法

1) 印記面草圖生成

參考該內(nèi)飾件安裝位置，將視點(diǎn)正視于xy平面，以便于在xy平面上繪制產(chǎn)生空間印記面的原始草圖。草圖名稱采用默認(rèn)值Sketch1，操作步驟及菜單選擇過(guò)程如圖3(a)所示，操作后生成的草圖尺寸為H2×V1=0.17m×0.081m，如圖3(b)所示。

圖3 有限元模型中印記面建立過(guò)程

2) 拉伸出空間印記面

在Tree outline中通過(guò)拉伸的方式生成印記面投影。參數(shù)設(shè)置及操作過(guò)程：點(diǎn)擊菜單欄Create，選中Extrude命令，按照?qǐng)D4設(shè)置拉伸參數(shù)，尤其在Operation選項(xiàng)中必須選擇Imprint Faces，這是能否正確生成空間印記面的關(guān)鍵；在拉伸方向Direction選項(xiàng)中可以根據(jù)原始草圖所在的方向選擇Normal或者選擇Reversed，以觀察投影正確投射到曲面上為原則。

圖4 空間印記面生成過(guò)程

圖5 內(nèi)飾材質(zhì)結(jié)構(gòu)

2.2 設(shè)置材料參數(shù)

內(nèi)飾材質(zhì)按HB5435-1989.NH-1標(biāo)準(zhǔn)，選擇NH-1-1.83-48牌號(hào)蜂窩，材料總厚度3 mm，由面層和蜂窩芯組成復(fù)合材料，如圖5所示。其中面層采用無(wú)堿玻璃纖維布，產(chǎn)品牌號(hào)EW140-100Y(VN)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)Q/SHT07-2007，面層總厚度1 mm；蜂窩芯邊長(zhǎng)1.83 mm的空心正六方體連片，厚度2 mm。復(fù)合材料整體材料密度48 kg/m3。彈性模量0.7 GPa，泊松比0.34[10]。

2.3 初始條件、邊界條件設(shè)置

所有內(nèi)飾板和機(jī)殼之間連接方式均如圖6所示，連接塊的兩個(gè)引腳固定在機(jī)殼內(nèi)表面；過(guò)渡支架實(shí)現(xiàn)了和內(nèi)飾板背面固定連接，連接塊和過(guò)渡支架之間采用螺栓連接。因此約束條件設(shè)置為：所有安裝塊2引腳定義為固定約束，如圖7所示。

圖6 內(nèi)飾板連接方式

圖7 施加固定約束

圖8是按照設(shè)計(jì)規(guī)范在印記面上施加1 334N的正壓力。由于模型多由光滑曲面組成，為了降低分網(wǎng)難度，提高計(jì)算精度，總體網(wǎng)格采用自由網(wǎng)格劃分方式，對(duì)于印記面網(wǎng)格采取局部細(xì)化，分網(wǎng)后的有限元計(jì)算模型共有60 482的節(jié)點(diǎn)及29 293個(gè)單元，如圖9所示。

圖8 施加局部載荷

圖9 有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.4 分析結(jié)果

通過(guò)分析求解得到如下計(jì)算結(jié)果：圖10表示的是空間印記面局部加載后最大變形值，從圖中可見(jiàn)為5.201 7mm；圖11表示最大等效應(yīng)力值為4.030 5e8 Pa。從圖示分析結(jié)果顯示，看最大變形值符合內(nèi)飾撓曲變形要求，但是等效應(yīng)力值略顯偏大。為了安全起見(jiàn)，通過(guò)在內(nèi)飾板背部增加固定安裝塊的方式進(jìn)行了重新優(yōu)化直至校核滿足要求為止。

圖10 變形值云圖

圖11 等效應(yīng)力云圖

3 內(nèi)飾撞擊試驗(yàn)

根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)結(jié)果完成內(nèi)飾件制造以后，采用0.17m×0.081m尺寸的尼龍材質(zhì)(尼龍的強(qiáng)度、硬度等指標(biāo)接近于人體撞擊時(shí)的性能參數(shù))沖擊頭對(duì)內(nèi)飾件的不同部位進(jìn)行了多點(diǎn)短時(shí)撞擊試驗(yàn)，沒(méi)有出現(xiàn)內(nèi)飾板塑性變形、翹曲等現(xiàn)象，經(jīng)裝機(jī)使用滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)借鑒平面印記面設(shè)置、使用技巧，在某型飛機(jī)內(nèi)飾設(shè)計(jì)過(guò)程中摸索出快捷、可靠的空間印記面設(shè)置流程，解決了曲面形狀局部載荷計(jì)算方面的相關(guān)問(wèn)題，同時(shí)能夠直觀發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，及時(shí)完成設(shè)計(jì)優(yōu)化，而且經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。對(duì)于類似光滑曲面結(jié)構(gòu)件局部強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算，具有重要意義。