韓 濤，聶小華，段世慧

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西?西安?710065）

計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展極大地推動了有限單元法在工程分析中的應(yīng)用，由于其在解決結(jié)構(gòu)仿真分析問題上的有效性和通用性，已經(jīng)成為分析復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)的承載問題最為便捷的方式[1]。隨著飛行器的速度不斷提高，艙蓋結(jié)構(gòu)受力較大，對艙蓋的承載能力和設(shè)計技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。當(dāng)氣動力逐步增大引起結(jié)構(gòu)較大變形時，氣動分布會呈現(xiàn)難以預(yù)測的分布形式，甚至?xí)?dǎo)致艙蓋被吹毀，造成嚴(yán)重后果，在工程中必須考慮如何規(guī)避艙蓋大變形失效風(fēng)險，提高艙蓋設(shè)計的剛度?；谏鲜龈咚亠w行器艙蓋設(shè)計問題，提出了一種復(fù)合材料艙蓋設(shè)計技術(shù)，充分利用復(fù)合材料比強(qiáng)度高、比模量高等特點，對高速飛行器設(shè)計具有無可比擬的優(yōu)勢，選取了工程常用的復(fù)合材料對艙蓋的鋪層進(jìn)行了初步設(shè)計。針對高速飛行器艙蓋受力特點，建立了艙蓋有限元模型。通過對艙蓋所受氣動力以及艙蓋所受約束的等效施加，經(jīng)計算得到艙蓋變形，再依據(jù)參考設(shè)計輸入判斷艙蓋變形邊界，通過加筋設(shè)計方案有效增強(qiáng)艙蓋剛度。其中，鋪層優(yōu)化是在滿足艙蓋結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能要求下最大程度上實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，從而提高結(jié)構(gòu)效率和經(jīng)濟(jì)性。加筋設(shè)計是指在復(fù)合材料基礎(chǔ)上加入帽型加筋，以較小的重量代價獲得較大的結(jié)構(gòu)剛度提升。

本文主要以工程實際中的某艙蓋設(shè)計為背景，重點關(guān)注艙蓋受力變形，采用仿真分析手段減少設(shè)計迭代，通過有限元建模對擬定的方案進(jìn)行仿真分析，對比分析結(jié)果給出艙蓋設(shè)計的參考方案。旨在討論復(fù)合材料分析手段對工程輔助設(shè)計起到的不可忽視的效果[2]，重點闡述復(fù)合材料加筋設(shè)計對結(jié)構(gòu)承載及受力形式的影響[3]。提出了工程中艙蓋設(shè)計中加筋設(shè)計的基本方案，驗證了改進(jìn)的高速飛行器艙蓋設(shè)計方案具有一定的可行性和有效性，并在工程中得到了應(yīng)用。

1??模型建立

1.1??結(jié)構(gòu)介紹

圖1 所示為某高速飛行器的艙蓋結(jié)構(gòu)，其剖面呈弧形設(shè)計，飛行器艙蓋尺寸783.8mm×886.3mm×2.0mm。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計需要，其采用螺釘連接方式，前緣由1個螺釘與機(jī)身框相連，后緣由3個螺釘與框相連，中間由2個螺釘與機(jī)身縱梁連接。設(shè)計輸入要求在高速飛行工況保證艙蓋的變形對氣動力不能產(chǎn)生較大影響，初始設(shè)計方案要求氣動力作用下艙蓋前緣與框間隙變形不能超過1.2mm。

圖1 艙蓋結(jié)構(gòu)初步設(shè)計

1.2??結(jié)構(gòu)建模

建模原則首先考慮單位換算方便，所以計算過程采用通用單位。主要采用殼元建立有限元模型，如圖2所示，有限元模型共8259個單元，8430個節(jié)點。在艙蓋節(jié)點施加氣動力等效載荷，在螺釘位置施加約束，模擬螺釘連接形式。有限元模型的總體坐標(biāo)系及坐標(biāo)原點與結(jié)初步方案的數(shù)模一致，采用直角坐標(biāo)系。有限元模型單位選擇工程常用單位。

1.3??材料設(shè)計

圖2 有限元模型

材料體系及鋪層設(shè)計如表1所示，采用碳纖維、玻璃布和泡沫構(gòu)成復(fù)材鋪層。初步設(shè)計考慮復(fù)合材料工藝及制造成型等綜合設(shè)計，選取了復(fù)合材料工程材料庫較為接近的鋪層設(shè)計方案作為艙蓋結(jié)構(gòu)初始設(shè)計方案。

表1 艙蓋材料鋪層設(shè)計

2??仿真分析

2.1??初始設(shè)計

初始設(shè)計方案只考慮了鋪層的設(shè)計以及艙蓋質(zhì)量控制，依據(jù)初步設(shè)計材料體系，將以上材料屬性附到有限元模型中，鋪層厚度和鋪層角度與材料一致。初始方案位移云圖如圖3所示，可以看出，最大變形1.32mm，相比設(shè)計要求的1.2mm，超出了設(shè)計輸入值，不能滿足設(shè)計輸入要求，需要改進(jìn)設(shè)計方案，提高艙蓋在變形較大端的剛度。

圖3 初始方案位移云圖

2.2??加筋設(shè)計

加筋設(shè)計選用了帽型加筋，加在艙蓋變形較大一端，其基本尺寸保證小于艙蓋開口，以滿足安裝要求，并考慮其變形后不能產(chǎn)生卡滯，造成拆裝困難的問題。通過以上分析，初步設(shè)計如圖4所示。對艙蓋進(jìn)行加筋設(shè)計，加筋設(shè)計理論上增大了艙蓋的局部剛度[4]。

圖4 艙蓋結(jié)構(gòu)加筋設(shè)計

如圖5所示，帽型加筋剖面各參數(shù)需要根據(jù)經(jīng)驗確定，并在模型中附屬性進(jìn)行試算。

圖5 帽型加筋剖面示意圖

建立加筋后的有限元模型，并對改進(jìn)方案進(jìn)行仿真分析，施加同等載荷和邊界約束。圖6所示為改進(jìn)方案的位移云圖，改進(jìn)設(shè)計方案最大變形1.09mm，滿足設(shè)計輸入要求[5]。

圖6 改進(jìn)方案位移云圖

從仿真結(jié)果可以看出，加筋設(shè)計滿足設(shè)計輸入條件，但是在艙蓋實際設(shè)計過程中仍有其他設(shè)計輸入條件需要滿足，這就需要在分析過程中優(yōu)化設(shè)計流程，在設(shè)計輸入階段對艙蓋的設(shè)計迭代變量進(jìn)行規(guī)劃，并在設(shè)計迭代過程中滿足小循環(huán)的前提下再進(jìn)行大循環(huán)迭代，以保證設(shè)計方案的匹配以及合理性。以上分析只針對復(fù)合材料加筋設(shè)計對結(jié)構(gòu)變形的影響，進(jìn)一步分析需考慮艙蓋結(jié)構(gòu)的綜合承載能力和加工制造工藝[7]，包括強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、可制造性等進(jìn)行綜合評估。

3??結(jié)論

本文對高速飛行器艙蓋剛度設(shè)計問題進(jìn)行研究，通過建立艙蓋有限元模型，依據(jù)艙蓋在工作狀態(tài)所受氣動力形式，在模型上等效施加艙蓋受力形式和邊界條件，分析了初步設(shè)計方案剛度不足的問題，對艙蓋進(jìn)行了加筋設(shè)計增大了局部剛度，同時對設(shè)計的艙蓋加筋進(jìn)行了仿真分析，采用復(fù)合材料加筋設(shè)計方案較好地解決了高速飛行器艙蓋變形問題[6]。通過有限元分析方法可以明顯提升設(shè)計效率，保證設(shè)計過程初步方案及改進(jìn)設(shè)計的可控性和可操作性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計定型改進(jìn)升級提供設(shè)計依據(jù)和評判準(zhǔn)則。該設(shè)計方案對同類高速飛行器艙蓋設(shè)計具有一定的參考價值。