基于ABAQUS接觸算法結構強度分析

龔思楚，張憲政，梅李霞，黃曉霞，熊盼

（中航工業洪都，江西南昌330024）

基于ABAQUS接觸算法結構強度分析

龔思楚，張憲政，梅李霞，黃曉霞，熊盼

（中航工業洪都，江西南昌330024）

有限元建模通常采用固定約束或連接單元模擬典型連接結構的緊固件，此模擬方式使得結構支持剛度過硬，導致連接部位計算結果失真。基于ABAQUS軟件建立推力梁連接結構有限元模型，采用接觸對模擬連接緊固件，進行有限元應力分析，并將計算結果與實驗結果進行對比，分析結果表明，連接結構整體有限元模型能夠很好的模擬結構支持剛度與受力情況，計算結果與實驗結果吻合。

ABAQUS；接觸分析；邊界非線性

0 引言

航空飛行器結構中存在著大量的接頭、耳片等機加結構，通過這些結構傳遞集中載荷，其中推力梁傳遞推力及其慣性力，由于載荷作用大、結構受力復雜，在飛機結構設計中是最值得關注的結構之一。

某型號飛機推力梁由于改型過程中載荷增大，對推力梁結構進行強度計算時，應力水平遠遠超過了材料強度許用值；如果要滿足強度要求，推力梁局部需加強到很厚；并會出現嚴重的結構連接剛度匹配問題，使得結構裝配困難，而且結構的傳遞路徑將發生變化。

結構強度分析通常是通過固定約束或連接單元來模擬結構的連接，但這些模擬方式使得結構的邊界條件過于剛硬，導致結構局部應力集中，應力水平偏高。而ABAQUS有限元分析軟件通過接觸算法能夠模擬結構間的載荷專遞過程，本文通過建立推力梁連接結構整體有限元模型，設置推力梁與連接件的接觸關系，解除固定約束導致的結構邊界條件過剛硬影響，求解推力梁在接頭載荷的作用下的應力結果，將計算結果與實驗結果和固定約束模型計算結果進行對比分析。

1 接觸分析過程

針對結構強度分析主要應用的是線性分析方法，即外載荷與系統響應為線性關系，但這種線性關系是一種理論上的近似，在實際結構中，結構的剛度會隨變形而發生改變，即非線性關系。其中接觸問題是一種典型的非線性問題，接觸體之間的接觸面積和壓力分布隨外載荷變化[1]。通過接觸條件，允許力從模型的一部分傳遞到另一個部分，只有當兩個表面發生接觸時才會有約束產生，接觸面分開時，就不存在約束作用了[2]。

ABAQUS/Standard中接觸邏輯過程如圖1所示，在每個增量步開始時檢查所有接觸相互作用的狀態，以確定接觸面是開放還是閉合。ABAQUS/Standard對每個閉合面施加一個約束，然后求解器進行迭代計算，并利用計算的修正值來更新模型的構形[2]。ABAQUS可以自動選擇合適的載荷增量和收斂準則，通過在分析過程中不斷調整參數，便可獲得精確的結果[3]。

圖1 接觸邏輯

2 有限元模型

推力梁連接結構整體有限元模型如圖2所示，主要由推力梁、發動機安裝接頭、前后端框及連接件組成，其中發動機安裝接頭由安裝座、卡箍、銷子及活結螺栓組成。通過CAD軟件對推力梁連接結構建立數字模型，通過數模接口導入ABAQUS有限元軟件中。由于分析主要關注推力梁應力水平，為保證計算精度和減少計算工作量，保留了安裝節和推力梁結構上的倒角而忽略了前后端框和連接型材上的倒角。

2.1 結構材料屬性

推力梁連接結構主要材料由鋁合金和高強度合金鋼組成，鋁合金材料屬性為彈性模量E= 61999MPa，泊松比υ=0.33。高強度合金鋼材料屬性為彈性模量E=206000MPa，泊松比υ=0.33。2.2邊界條件

圖2 推力梁連接結構有限元模型

推力梁連接結果整體有限元模型邊界條件如圖2所示，模型中認為推力梁周邊結構對其支持剛度只在一定范圍有影響，模型中除推力梁及安裝節外，其他結構只截取與推力梁連接部分；在截面上施加固定約束。根據試驗加載情況，發動機載荷施加在安裝節中心參考點上，參考點通過耦合約束與安裝節關聯起來。

有限元模型接觸類型為面接觸，接觸對屬性大部分為硬接觸，為控制部分單元剛體位移，部分接觸對定義摩擦接觸類型，摩擦系數取0.05。

3 結果與分析

圖3 試驗情況1梁體應力云圖

選取4套推力梁靜力試驗情況載荷，施加在有限元模型參考點上，分別進行計算，計算結果如圖3～圖7所示，推力梁靜力試驗中分別在梁體左右兩邊緣條外側各粘貼三片應變片測量軸向拉（壓）應力，如圖8所示；將模型計算結果與試驗測量結果進行對比分析，分析結果如表1～表4所示。

圖4 試驗情況2梁體應力云圖

圖5 試驗情況3梁體應力云圖

圖6 試驗情況4梁體應力云圖

如表1~表4所示，試驗情況1、4計算結果與試驗結果誤差較小，載荷情況2、3部分結果誤差偏大，原因主要為試驗情況1、4試驗載荷較嚴重，推力梁應力水平高，而試驗情況2、3試驗載荷相對較小，應力水平低，導致誤差率偏高；在相同試驗情況下，使用固定約束有限元模型進行計算，相同位置處的應力水平與試驗結果相差一個量級，如圖7所示，在試驗情況1工況下，固定約束模型梁體對應1號、3號應變片位置應力結果分別為-172MPa、279MPa，與試驗結果相差很大，所以相對于固定約束模型，表2、3出現的誤差率是可接受的。

圖7 試驗情況1固定約束計算結果

圖8 試驗梁體應變片粘貼位置示意

表1 試驗情況1對比結果

表2 試驗情況2對比結果

表3 試驗情況3對比結果

表4 試驗情況4對比結果

其次，推力梁安裝靜力試驗是在全機試驗機上進行的，推力梁連接結構有限元模型并不能完全模擬全機結構對推力梁的支持剛度，而且有限元仿真計算是一種理想模型，與實際結構的材料工藝品質有一定的差別，也會導致計算結果與實驗結果產生一定的偏差。

4 結論

1）利用ABAQUS有限元分析軟件接觸算法針對推力梁連接結構進行強度計算，通過與試驗結果進行對比分析，發現推力梁連接結構有限元模型能夠很好的模擬大型復雜連接結構的受力形式，計算結果與實驗結果較為一致。

2）通過建立連接結構的接觸約束來模擬主要結構的支持約束，能夠真實反映支持結構的支持剛度；通過誤差分析和與固定約束模型對比分析，發現接觸約束模型在計算誤差小，計算結果能反映結構真實受力情況。

[1]石亦平.ABAQUS有限元分析實例詳解.北京：機械工業出版社，2006.

[2]莊茁.基于ABAQUS的有限元分析和應用.北京：清華大學出版社，2009.

[3]張青峰，等.基于ABAQUS水下采油樹下入工具有限元接觸分析.機械工程師，2016.

[4]彭佑多.基于ABAQUS的碟式太陽能方位角驅動機構蝸輪蝸桿接觸強度分析.湖南科技大學學報，2016.

[5]ABAQUS6.11User,Manual,ABAQUSInc,Province, RI,USA.2011.

[6]莊茁，張帆，岑松.ABAQUS非線性有限元分析與實例.北京:科學出版社，2005.

[7]Metallic materials and elements for aerospace vehicle structures,Department Of Defense Handbook, MIL-HDBK-5J,31 January 2003.

>>>作者簡介

龔思楚，男，1987年出生，2012年畢業于哈爾濱工業大學，工程師，現從事飛機強度設計工作。

Structure Strength Analysis Based on ABAQUS Contact Arithmetics

Gong Sichu,Zhang Xianzheng，Mei Lixia,Huang Xiaoxia,Xiang Pan

(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)

Module establishment with finite element normally adopts fasteners with specific restriction or connecting unit to simulate the typical connection structure,this simulating method may result in the over hardness of the support rigidity of the structure and cause the distortion of calculation result at connecting portion.The finite element module of thrust-beam connecting structure setup on basis of ABAQUS software uses contact pairs to simulate the connection of fasteners,and accomplish the stress analysis on finite element so as to compare the calculation results and test results.The analysis result shows the integral finite element module of connecting structure can nicely simulate the structure support rigidity and force bearing condition,the calculation result is consistent with the test result.

ABAQUS;Contact analysis;Boundary nonlinearity

2016-10-21）