大型民機金屬結構機身框與長桁間連接角片的細化有限元模型建模方法研究

大型民機金屬結構機身框與長桁間連接角片的細化有限元模型建模方法研究

對大型民機機體結構建立有限元模型進行強度分析是民機結構強度分析的主要手段之一，隨著計算機運算能力的不斷提高，有限元模型由原來的自然網格有限元模型逐步向網格尺度更小的細化有限元模型發展，這對細化有限元模型中飛機結構的建模方法提出了新的挑戰。連接角片是連接機身框與長桁的常用結構件，主要作用是使機身框和長桁之間能互相提供支持且變形協調，是飛機上除了緊固件之外數量最多的零件之一，由于連接角片受力特殊，其在細化有限元模型的建模方法直接影響模型建模質量。本文首先將連接角片在局部精細化有限元模型中分別簡化成梁元和標準精細化單元，對兩種建模方案的計算結果進行了對比分析，最后提出一種能較真實模擬實際受力狀態的、適用于細化有限元模型的連接角片建模方法，解決了連接角片細化模型建模難的問題。

研究背景

對大型民機機體結構建立全機有限元模型是對民機結構強度分析的必要手段，為了準確高效得到飛機結構的強度分析結果，國內外主要飛機研發單位對如何建立合適規模的全機有限元模型展開了全面、深入的研究。在大型民機初步設計階段，各飛機研發單位會結合成熟的工程經驗和已有的試驗數據建立忽略細節信息、高度簡化的全機自然網格有限元模型，對飛機結構設計方案進行快速分析，但這種模型用于分析結構細節部位時分析精度較差，對被忽略的細節部位甚至無法分析。為了得到更高的有限元分析精度，有人提出借鑒汽車行業的建模思路，保留包括連接緊固件在內的所有結構零件細節特征，對飛機結構每個零件都進行精確建模，即建立全機精細化有限元模型。然而這種全機精細化有限元模型規模非常龐大，單元尺寸在厘米級的精細化有限元模型的節點規模即達千萬量級，需要在高性能服務器中才能建立模型及運算，且運算耗時長、內力計算結果文件大。

細化有限元模型是介于自然網格有限元模型和精細化有限元模型之間的一種模型，保留了飛機的全部結構件信息，對零件局部細節特征和連接結構特征進行工程簡化，這種全機有限元細化模型的節點規模在百萬級左右，可在普通的高性能PC機上完成建模和運算。這種模型的計算結果精度介于自然網格有限元模型和精細化有限元模型之間，能比較準確地反映飛機結構整體應力分布情況，可對大部分結構細節部位進行強度分析；而對于局部細節結構可建立子模型進行進一步分析，使得計算結果精度接近精細化有限元模型，而計算效率則遠高于精細化有限元模型。在民用飛機競爭越來越激烈、飛機型號研究周期越來越短的今天，這種可在普通的高性能PC機上操作、兼顧分析精度和分析效率的細化有限元模型越來越被各飛機研發單位所接受。

在全機細化有限元模型建模時，設計員需要根據飛機結構零件的受力特征對零件局部細節和連接結構進行工程簡化，這種工程簡化方法直接影響有限元模型建模質量，決定了有限元模型分析結果精度。連接角片是連接機身框與長桁的常用結構件，主要作用是使機身框和長桁互相提供支持且變形協調，受力狀態比較復雜，工程簡化難度大。本文對大型民機金屬結構機身框與長桁間連接角片的細化建模方法展開研究，提出了一種能比較準確模擬連接角片受力特性的建模方法。

研究方案

連接角片受力特性分析

大型民機金屬結構機身框與長桁連接處的連接角片一般有三種類型，第一種是“L”形角片，此類角片常與剪切角片合并成一個整體件以減少零件數和減輕結構重量，結構如圖1所示；第二種是“T”形角片，此類角片由于其受力性能比“L”形角片好，常用在載荷較大的連接部位，結構形式如圖2所示；第三種是“U”形角片，此類角片常用于與“π”長桁連接，結構如圖3所示。

三種類型的連接角片在全機結構中的作用一致，其受力特點如下：

1）在機身受增壓艙載荷作用蒙皮向外發生位移時，機身框和長桁隨蒙皮一起向外位移，但相比機身框，長桁向外位移量更大，連接角片因而受到長桁向外的拉伸載荷作用；

2）在機身框內緣受軸壓載荷或側向載荷作用發生側向位移時，連接角片為框內緣提供側向支持；

3）在機身長桁與蒙皮一起受軸壓載荷作用發生失穩時，連接角片在框站位處為長桁提供介于鉸支與固支之間的約束支持。

本文將以“L”形連接角片為例，研究連接角片細化有限元模型建模方法。

圖1　“L”形角片結構示意圖

圖2　“T”形角片結構示意圖

圖3　“U”形角片結構示意圖

連接角片細化建模簡化思路分析

根據2.1節對連接角片受力特性分析結果并結合連接角片的結構特點，可在細化有限元模型中將連接角片簡化成梁元，該梁元的面積和剛度設置思路如下。

1）、根據連接角片的第一個受力特點，當機身受增壓載荷作用時，框和長桁一起向外變形產生的位移差使連接角片承受拉伸載荷，這個位移差由連接角片在框腹板處外側連接緊固件與長桁腹板處緊固件之間有效長度的拉伸微應變和連接角片因偏心受載而在局部產生的彎曲變形共同產生；而在細化有限元模型中簡化成梁元時，連接角片的有效長度為框外緣與長桁內緣翻邊之間的距離，此時框與長桁之間的位移差由梁元拉伸微應變產生。顯然梁元的拉伸剛度遠大于連接角片本身的拉伸剛度，因此梁元面積需要乘以一個“等效系數”來模擬連接角片的拉伸剛度，這個等效系數的數值直接決定了細化有限元分析結果的準確性。

2）對于連接角片的第二個和第三個受力特點，由于全機細化有限元模型常采用線性分析，機身框內緣處側向位移、長桁和蒙皮受軸壓載荷作用下的失穩變形均無法在全機細化有限元模型計算結果中反映出來，即連接角片的側向剛度對計算結果影響不大，因此梁元直接取連接角片截面真實彎曲剛度以反映連接角片對框和長桁的側向支持。

連接角片建模等效系數分析

連接角片在細化有限元模型中簡化為梁元時其面積等效系數可通過對比分析得到，主要思路是以精細化有限元模型作為基準模型，再在精細化有限元模型中將連接角片簡化成梁元，通過調整梁元面積參數使兩個模型中指定節點處位移誤差及相對位移誤差最小來獲取面積等效系數，本次分析設定的目標位移誤差控制在2%以內、目標相對位移誤差控制在1%以內。

以某機型等直段機身框為算例，選取1個框距、5個桁距范圍內的框結構建立精細化有限元模型作為基準模型，如圖4所示。建模時以蒙皮圓弧中心點為坐標原點建立柱坐標系，結構零件均簡化成以框、剪切角片、長桁、蒙皮等零件厚度中心為中性面、厚度屬性取真實厚度、材料屬性均取結構真實材料參數的殼單元，并將所有緊固件簡化成Cweld元。在基準模型基礎上將連接角片簡化為梁元建立對比模型，如圖5所示。

兩個模型的約束和加載方式一致，即在長桁斷面側邊的蒙皮和長桁截面節點處加航向載荷模擬在增壓載荷作用下長桁和蒙皮承受的航向張力，并約束柱坐標系下4和5方向自由度；在框斷面側邊的蒙皮、框截面節點處約束柱坐標系下2、4和5方向自由度；在蒙皮處加載由內向外的增壓載荷。在對比模型中，建立了7個不同面積（即不同面積等效系數）參數的對比模型，各模型情況如表1所示。

選取中間連接角片兩端部在框腹板和長桁腹板各對應的節點作為位移參考點對兩個模型的分析結果進行比較，如表2所示。根據表2的比較結果可以看出，連接角片的面積等效系數取0.024時，兩個模型在位移參考點處的位移誤差最大為1.28%，相對位移誤差為0.18%，達到預期的簡化效果。

表2　位移參考點處位移對比表

表1　各模型情況匯總表

研究結論

本文通過對大型民機金屬結構機身框與長桁連接的連接角片的受力特性分析和有限元對比分析，研究出一種有效的連接角片的細化有限元模型建模方法：

1）依據結構特點和傳力特性，連接角片可簡化為梁元；

2）梁元彎曲剛度取連接角片真實彎曲剛度；

3）梁元面積取連接角片真實面積乘以等效系數；

4）等效系數通過有限元對比分析計算得到，“L”型角片的等效系數約為0.024。

該建模方法可供民用飛機設計人員在建立全機細化有限元模型時使用，能夠得到精度較高的計算結果。同時，這種通過受力特性分析和有限元對比分析來研究連接角片細化有限元模型建模方法的思路，可以推廣應用于大型民機其他金屬結構。

圖4　基準模型圖

圖5　連接角片簡化為梁元的對比模型圖

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.032