有限元中模擬鉸接耳片的一種方法

解放

(沈陽飛機設計研究所,遼寧沈陽 110035)

有限元中模擬鉸接耳片的一種方法

解放

(沈陽飛機設計研究所,遼寧沈陽 110035)

本文提出了在有限元中模擬鉸接耳片的一種方法。利用不共用節點的兩個三角板單元模擬耳片,在相同位置設有兩個獨立節點,采用MPC將兩個節點連接,利用位移協調條件協調兩個節點在耳片平面內的平動位移,釋放兩個單元在該位置的轉動自由度及垂直耳片平面的自由度,從而使三角板單元只傳遞平行于耳片的剪力,而不再傳遞其它方向的力和力矩,更為準確地反映實際結構的傳力特點。

有限元 鉸接 耳片

1 背景

鉸接耳片是飛機上最常用的連接方式,被大量用于機身與機翼對接,舵面與翼盒對接等重要連接部位,而在有限元計算中準確的模擬鉸接耳片不僅能夠真實的反映飛機局部連接構件的承載能力,更有利于分析飛機的整體傳力路線。在工程上,鉸接接頭在傳力時,只傳遞平行于耳片的剪力,常用的直接采用共用節點連接的三角形殼單元的模擬方式,不但傳遞了三個方向的力,同時也傳遞了三個方向的力矩。因此常規的簡化方式不符合接頭的實際傳力方式,這在大型有限元分析尤其是全機有限元分析中,不能夠正確地模擬實際結構的傳力特點,從而不能為連接結構的強度校核提供較準確的載荷。

本文利用不共用節點的兩個三角板單元模擬耳片,在相同位置設有兩個獨立節點,采用MPC將兩個節點連接,利用位移協調條件協調兩個節點在耳片平面內的平動位移,釋放兩個單元在該位置的轉動自由度及垂直耳片平面的自由度,提出這種模擬耳片鉸接的方法,能夠只傳遞平行于耳片的剪力,而不再傳遞其它方向的力和力矩,使鉸支傳力與工程實際更加相符。

2 常規模擬鉸接接頭的方法

對于鉸接接頭,在常規的有限元模型簡化時,一般將接頭耳片簡化為三角形殼單元,耳片連接采用共用節點的方式。

算例：計算某型飛機,在某設計狀態下,鉸接接頭的傳力情況,節點131364為耳片連接采用共用節點,見圖1。

圖1 常規模擬鉸接接頭的數值計算結果

圖2 新方法模擬鉸接接頭的數值計算結果

從圖1中可以看出,直接采用共用節點連接的三角形殼單元不但傳遞了三個方向的力,同時也傳遞了三個方向的力矩。而在工程上,鉸接接頭在傳力時,只傳遞平行于耳片的剪力。因此,常規的簡化方式不符合接頭的實際傳力方式。

這是因為,殼單元具有膜、彎曲、橫向剪切及耦合剛度,可以傳遞任意形式的力和力矩。在以往的分析中,由于兩個單元只有一個共用節點,只考慮了該節點對力的傳遞,并沒有注意到由于單元特性而引起的力矩的傳遞。因此,這種模型簡化方法對于鉸接接頭的傳力來說是不合理的。

3 一種模擬鉸接的新方法

常規模型簡化方法存在不合理性的根本原因是單元之間的連接關系模擬不當導致傳力特點發生了變化。解決這個問題的關鍵所在,也就是根據結構的傳力特點,選用正確的方法對單元進行連接,從而得到更為合理的傳力分析結果。

通過對現有有限元軟件中各種類型單元的比較與分析,提出了最為有效的方法是,使模擬耳片的兩個三角板單元不共用節點直接連接,而是在相同位置有兩個獨立節點,采用MPC將兩個節點連接,利用位移協調條件約束,即只協調兩個節點在耳片平面內的平動位移,從而將兩個單元在該位置的轉動自由度及垂直耳片平面的自由度釋放掉,這樣就保證了耳片傳力的正確性。

值得注意的是,由于鉸接接頭只傳遞平行于耳片的力,因此,應針對耳片在其面內建立局部坐標系,同時修改節點屬性,選用耳片的局部坐標系,再根據局部坐標系,設定位移協調方向。

保證原有算例的初始條件不變,只修改鉸接接頭的模擬方式,得到以下數值計算結果,節點131369為耳片連接采用共用節點(見圖2)。

由圖2可以看出,采用適當的MPC連接,兩個三角形單元間只傳遞耳片平面內的力,而不再傳遞其它力和力矩,這就符合了實際耳片的傳力方式。可見,通過這種連接方式,很好地解決了耳片傳力的有限元模型簡化問題。

4 結語

(1)通過數值計算結果的對比,說明以往有限元模型中接頭的簡化方式是完全傳力結構,也就是說,既傳遞三個方向的力,也傳遞了三個方向的位移,不符合鉸接耳片的傳力特點,而按新方法模擬耳片的連接,只傳遞平行于耳片的剪力,這與工程實際相符。在以后的有限元分析工作中,對于此類連接結構,采用這種模型簡化方法,能夠更為準確地反映實際結構的傳力特點,從而得到更為合理的計算結果。

(2)本文的方法是在飛機的全機有限元建模分析過程中發現的問題并提出的解決方案,有著很實際的工程意義：鉸接耳片的有限元簡化方法,很好地解決了常規方法導致的接頭傳遞實際并不存在的載荷的問題,這在大規模有限元分析尤其是全機有限元分析中,能夠正確地模擬實際結構的傳力特點,從而可以為連接結構的強度校核提供更為準確的載荷,使強度分析工作有更高的可靠性。

[1]Patran 2006與Nastran 2007有限元分析實例指導教程 機械工業出版社,2008年.