王益鋒

基于子模型方法的民用飛機(jī)開(kāi)口強(qiáng)度分析

王益鋒

建立了基于子模型的民用飛機(jī)開(kāi)口強(qiáng)度分析方法。在全機(jī)有限元模型的基礎(chǔ)上，采用子模型法建立開(kāi)口結(jié)構(gòu)的細(xì)化模型，根據(jù)全機(jī)有限元模型確定細(xì)化模型載荷和位移邊界條件，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)與分析。以某機(jī)型旅客觀察窗開(kāi)口為例，通過(guò)理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了本文分析方法的正確性。

在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)中，為了考慮乘坐舒適性、維修方便性、系統(tǒng)布置等因素，經(jīng)常需要在機(jī)體蒙皮及結(jié)構(gòu)腹板上增加開(kāi)口，如門(mén)、窗、維修口蓋等。開(kāi)口帶來(lái)最大的難題是造成了原有連續(xù)結(jié)構(gòu)傳力路徑的中斷，需要加強(qiáng)其周圍結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以承受原開(kāi)口處結(jié)構(gòu)所承受的載荷以及由于載荷重新分布引起的內(nèi)力。而機(jī)體結(jié)構(gòu)布置還受到附近結(jié)構(gòu)、內(nèi)飾等的限制，如何在有限的區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)開(kāi)口周圍結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，使結(jié)構(gòu)滿足剛度、強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求且各結(jié)構(gòu)剛度匹配實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化，是強(qiáng)度設(shè)計(jì)與分析的難點(diǎn)。

對(duì)于開(kāi)口尺寸較小的中、小開(kāi)口，其影響僅局限于開(kāi)口周圍部分結(jié)構(gòu)，一般采用環(huán)形加強(qiáng)板等進(jìn)行加強(qiáng)，對(duì)于較大尺寸的開(kāi)口，開(kāi)口對(duì)整個(gè)剖面內(nèi)力分布都會(huì)產(chǎn)生較大的影響，需對(duì)周圍組件剛度、強(qiáng)度綜合進(jìn)行分析。開(kāi)口強(qiáng)度分析可直接利用工程算法進(jìn)行分析，但工程算法并不十分精確，有時(shí)需要借助試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。本文采用Patran有限元商業(yè)軟件，在全機(jī)有限元模型的基礎(chǔ)上結(jié)合子模型，對(duì)開(kāi)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度設(shè)計(jì)與分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，進(jìn)行迭代求解，有效地確定開(kāi)口加強(qiáng)方案。

分析方法

在全機(jī)有限元模型中，由于計(jì)算機(jī)硬件及運(yùn)算時(shí)間等的限制，開(kāi)口結(jié)構(gòu)一般采用簡(jiǎn)化模型，網(wǎng)格比較稀疏，角部通常采用直角形式。該模型受力特點(diǎn)和傳力路線都保留了設(shè)計(jì)意圖，但直接使用全機(jī)有限元模型分析開(kāi)口結(jié)構(gòu)存在較大的誤差。本文在全機(jī)有限元模型的基礎(chǔ)上，采用子模型法建立開(kāi)口結(jié)構(gòu)的細(xì)化模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，具體流程如圖1所示。

圖1 機(jī)身開(kāi)口設(shè)計(jì)分析流程圖

根據(jù)上述流程，首先以初始結(jié)構(gòu)組件（框、蒙皮、長(zhǎng)桁等及緊固件）為基礎(chǔ)，將其屬性賦到全機(jī)有限元模型中進(jìn)行求解；根據(jù)全機(jī)有限元模型結(jié)果確定分析范圍及邊界條件，然后采用子模型法建立分析結(jié)構(gòu)細(xì)化模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度校核，判斷其是否滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。若不滿足，修改框、蒙皮、長(zhǎng)桁及緊固件等屬性，更改全機(jī)有限元模型、全機(jī)解及細(xì)化模型重新進(jìn)行一系列計(jì)算。當(dāng)?shù)蠼夂蠼Y(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求時(shí)，可確定為最終結(jié)構(gòu)。

使用子模型法進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)注意減小其數(shù)值誤差。其數(shù)值誤差來(lái)源分為如下幾部分：1.整體模型在切面處的數(shù)值誤差；2.插值誤差；3.幾何誤差、4.子模型本身的數(shù)值誤差。

為減小數(shù)值誤差，必須正確選取切面，確定分析范圍。切面選取需根據(jù)圣維南原理，使切面位置位于開(kāi)口結(jié)構(gòu)的載荷影響范圍之外，同時(shí)應(yīng)避免載荷突變、幾何突變、倒角等高應(yīng)力區(qū)域。實(shí)際分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)全機(jī)有限元結(jié)果，選擇應(yīng)力非突變區(qū)域；同時(shí)要注意整體模型和子模型的匹配，盡量避免一、二及三維單元之間的轉(zhuǎn)換，若不可避免，在轉(zhuǎn)換時(shí)需要考慮偏置的影響。

分析算例

以某機(jī)型旅客觀察窗為例，采用本文方法進(jìn)行分析。根據(jù)旅客觀察窗框高度定義，要求窗框上沿與人體視線在同一水平位置，因此旅客觀察窗布置一般位于機(jī)身兩側(cè)地板以上位置處。窗框開(kāi)口為口框形式，觀察窗上下各布置一根長(zhǎng)桁，窗框上下緣分別與長(zhǎng)桁進(jìn)行鉚接，左右緣與蒙皮鉚接。窗框緣條近似為“ ┴ ”形。結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。觀察窗組件主要由雙層定向拉伸有機(jī)玻璃（丙烯酸）、窗框、彈簧夾、環(huán)形件、內(nèi)外密封件組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 飛機(jī)旅客觀察窗框結(jié)構(gòu)布置圖

圖3 旅客觀察窗組件圖

旅客觀察窗開(kāi)口切斷長(zhǎng)桁及蒙皮造成結(jié)構(gòu)傳力的中斷，載荷一部分通過(guò)窗框彎曲傳遞，一部分通過(guò)周圍壁板結(jié)構(gòu)傳遞。因此對(duì)于窗框結(jié)構(gòu)，要保證窗框有足夠的剛度和強(qiáng)度承受彎曲載荷，同時(shí)周圍蒙皮及長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)要進(jìn)行相應(yīng)的加強(qiáng)。對(duì)截面進(jìn)行分析，該剖面由于開(kāi)口減少的面積，周圍結(jié)構(gòu)補(bǔ)充的面積需在開(kāi)口減少面積的基礎(chǔ)上再考慮應(yīng)力集中的影響。

在全機(jī)有限元模型中，機(jī)身部分旅客觀察窗框結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。在全機(jī)解中，根據(jù)設(shè)計(jì)意圖，觀察窗開(kāi)口由上下長(zhǎng)桁隔斷，因此上下長(zhǎng)桁建立為梁?jiǎn)卧?，蒙皮為膜單元。由于所有窗都位于氣密區(qū)內(nèi)，均需承受機(jī)身增壓載荷并將其傳遞到窗框，所以窗框一周都建立為梁元。在同一“.db”文件相同位置下建立結(jié)構(gòu)的細(xì)化模型，模型如圖5所示。

圖4 機(jī)身部分旅客觀察窗框結(jié)構(gòu)模型（全機(jī)模型）

圖5 機(jī)身部分旅客觀察窗框結(jié)構(gòu)細(xì)化模型

圖6 旅客觀察窗框結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)示意圖

在細(xì)化模型中，旅客觀察窗口框簡(jiǎn)化為空間梁元，上下相鄰長(zhǎng)桁及框簡(jiǎn)化為平面梁元，其余長(zhǎng)桁簡(jiǎn)化為桿元，蒙皮簡(jiǎn)化為殼元。

在建模時(shí)需保證整體解模型和細(xì)化模型公共節(jié)點(diǎn)位置保持一致，這樣可以減小幾何誤差的影響。細(xì)化模型四周的邊界條件根據(jù)整體解相應(yīng)載荷條件下所求得的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的6個(gè)方向的平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)位移，在整體解模型中建立相對(duì)應(yīng)的位移場(chǎng)，然后在細(xì)化模型中通過(guò)二次樣調(diào)曲線插值得到細(xì)化模型邊界其余各節(jié)點(diǎn)的位移，并將上述位移作為本模型計(jì)算的邊界條件，同時(shí)將原有整體解中相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的載荷加載到對(duì)應(yīng)公共節(jié)點(diǎn)上作為細(xì)化模型的載荷進(jìn)行計(jì)算。以一地面載荷工況為例，圖6為全機(jī)解下旅客觀察窗框結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)示意圖，圖7為插值后細(xì)化模型各邊界節(jié)點(diǎn)插值后位移圖，圖8為節(jié)點(diǎn)載荷示意圖。

圖7 旅客觀察窗框細(xì)化模型邊界位移示意圖

圖8 旅客觀察窗框細(xì)化模型節(jié)點(diǎn)載荷示意圖

在切面選取時(shí)，根據(jù)全機(jī)有限元結(jié)果，選擇應(yīng)力非突變區(qū)域。在初始切面選取時(shí)，切面選擇環(huán)向向上向下兩個(gè)長(zhǎng)桁段；航向向前向后各延伸1個(gè)框段。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，全機(jī)有限元模型中切面位置處應(yīng)力水平很高，細(xì)化后發(fā)現(xiàn)應(yīng)力梯度較大，不適宜作為切面選取位置。最終確定切面選取環(huán)向向上向下延伸四個(gè)長(zhǎng)桁段，航向向前向后各延伸1個(gè)框段。經(jīng)對(duì)比，方法更改后計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，較好的驗(yàn)證了本文方法的準(zhǔn)確性。表1 為該地面載荷工況下窗框周圍蒙皮應(yīng)力結(jié)果對(duì)比表，圖9和圖10分別為窗框組件結(jié)構(gòu)的Vonmises應(yīng)力和剪應(yīng)力云圖。

表1 窗框周圍蒙皮應(yīng)力結(jié)果對(duì)比表

圖9 旅客觀察窗框結(jié)構(gòu)Vonmises應(yīng)力云圖

圖10 旅客觀察窗框結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力云圖

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元分析數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，分析與試驗(yàn)吻合較好且更保守，說(shuō)明全機(jī)有限元模型與子模型結(jié)合的有限元分析方法可以保守、有效的對(duì)開(kāi)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，比較精確地得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，該方法可用于開(kāi)口結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析與設(shè)計(jì)。

王益鋒

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究部

王益鋒（1981-）男，籍貫：江蘇，漢族，高級(jí)工程師，博士，2009年博士畢業(yè)后進(jìn)行上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院工作至今，主要從事民用飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)與研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.011