基于飛機結構整體優化和細節分析

楊克宏

摘要：近年來，隨著社會經濟發展水平的不斷提高，我國飛機制造事業也得到了明顯的發展和進步，同時對飛機結構設計也提出了更多、更高的要求。而且飛機結構不僅涉及多種部件，而且結構設計和連接方式也非常復雜，我們運用傳統的計算方法已經無法符合當前計算的基本要求，需要從飛機的整體結構和細節等各方面的應力分布進行考慮，盡可能的提升飛機的整體承載能力，實現我國飛機制造事業更好的發展。基于此，本文通過對常用分析方法進行探究，并相應的分析飛機的基本結構和優化細節。

關鍵詞：飛機結構；整體優化；細節

引言：飛機作為我國航空運輸事業的重要工具，其制造和發展受到了社會的廣泛關注和高度重視。近年來，我們不斷加強飛機結構和優化細節的研究，運用有限元法、ANSYS分析軟件等科學的方法，力求提升飛機的整體性能。通過優化設計不僅可以改善飛機的整體結構，調整飛機應力分布狀況，實現材料的合理布置，而且還能在提升材料利用率的同時，加強飛機的整體優化質量。

一、常用分析方法

（一）有限元法

有限元法主要就是一種運用計算機技術進行數值近似的方法，其可以通過對有限數目單元進行離散來近似連續問題，是分析和判斷較為復雜性問題和結構的一種有效工具。當前，在飛機制造領域也廣泛的應用到有限元法，并且能夠得出有關動力學方面的滿意結果。具體來講，有限元法就是遵循力學所具有的虛功原理，通過變分法將飛機整體結構的物理方程、平衡方程以及幾何方程等成功的建立在離散化結構的各個單元之上，這樣就可以順利獲取每一個單元的位移、應力和應變結果，從而進一步了解飛機內部結構的應變和應力狀況。

（二）ANSYS分析軟件

ANSYS軟件主要就是聲場、結構、電磁場、融流體以及熱場等集于一體的有限元分析法，屬于一種較為大型的分析軟件，且具有較強的通用性，目前被廣泛的應用到儀器儀表、電子、原子能、熱工、地質以及生物醫學等多種工程的研究中去。其主要具有以下特點：（1）建模能力強。其依托自身就可以構建較為繁瑣的幾何模型。（2）求解能力強。ANSYS軟件具有很多求解器，通常包括特征求解器、并行求解器、迭代求解器等。（3）網絡劃分具有智能性。ANSYS軟件可以結合幾個模型的基本特點自主產生有限元網格，并且可以方便用戶進行自定義，有利于適應網格的各種需求目。（4）優化能力較強。ANSYS軟件具有加強的優化設計優勢，能夠為飛機結構設計提供最佳方案。同時還可以優化模型的外觀，實現材料的充分運用。

二、飛機結構分析

（一）機身

機身作為飛機結構的主體，一般包括大梁、蒙皮、桁條以及隔框等部分，是用來承載物資和人員的，通常具有較大的使用空間，充分利用單位體積空間，可以提升機身的整體承載數量。但是，在這一結構設計中應該保證連接的可靠性和安全性，安裝隔音設備和通風設備，確保機身擁有廣泛的視野，這樣才能方便飛機進行起落。

（二）機翼

機翼主要就是為飛機提供升力的部分，有利于飛機滾輪的操縱，一般包括翼根、翼尖、前緣以及后緣等四個部分，不僅可以保證飛機具有較強的操縱性和穩定性，而且還有利于油箱、發動機以及起落架等設備的安裝和應用。

（三）尾翼

尾翼主要就是指飛機的尾部，通常是垂直尾翼和水平尾翼二者的統稱。其中垂直尾翼主要包括垂直安定面和方向舵兩個部分，讓飛機能夠在偏航操作中保持一定的靜穩定性；水平尾翼主要包括水平安定面和升降舵兩個部分，讓飛機能夠在仰俯操作中保持一定的靜穩定性。

（四）起落架

起落架主要就是指飛機在地面進行起飛、著陸、滑行以及停放時所要用到的重力荷載和支撐裝置。一般包括后三點式、自行車式以及前三點式等三種布置形式。不僅可以承受飛機起飛、著陸以及停放時產生的重力，而且還能夠吸收和消耗掉飛機在著陸過程中產生的撞擊能量。

三、飛機機翼結構的整體優化和細節分析

（一）機翼整體優化

（1）機翼有限元模型。飛機機翼主要是由外部蒙皮、展向構件以及弦向構件等部分組成，如圖1所示是機翼結構的有限元模型。其中腹板取CTR_13單元、蒙皮取CQUAD；肋凸緣長桁取ROD單元；支座和接頭等需要取BAR單元；前梁、前墻、主梁以及后梁等重要傳力構件的緣條需要取BEAM單元。

（2）模型加載。在飛機結構優化設計中，對機翼結構進行加載一般都是通過多點排的方法。主要思路為：在離氣動點較近的部分多安排一些有限元節點，而離氣動點較遠的部分則是少安排一些有限元節點。如果氣動點和有限元節點二者之間存在一條梁，其主要是將氣動點一端當做是懸梁臂，并且較為固定，而自由端的有限元節點在荷載Pj時產生的變形能則為，其中Lj和EI分別表示為虛設梁的長度和剛度。將上式帶入到變形公式中可以得出，其中n表示為有限節點數。

（二）細節分析

（1）機翼結構的對接接頭。在對機翼結構進行整體優化的過程中，我們能夠得到后主梁根部位置的彎矩，將彎矩加到機翼結構的有限元模型上，能夠對機翼與機身二者之間對接接頭進行細節分析，一般包括彈塑性和接觸性分析兩種。為了進一步提升細節分析的精確性，可以運用CAD軟件進行對接接頭的實體建模，然后在HyperMesh前處理軟件中構建六面體網絡，最后在Marc分析軟件中對接觸表、材料以及邊界條件等進行定義，并且實行仿真分析。

（2）主梁和蒙皮連接區。對優化的主梁和蒙皮連接區采取網格重建的方法，構建有限元模型，如圖3所示。其中主梁筋條和肋、緣條和蒙皮主要以三個方向進行彈簧式的螺栓連接，彈簧剛度主要由螺栓材料和尺寸等來進行確定。

（3）位移在機身和主梁二者之間的接頭處。在飛機整體結構中，主梁接頭的下耳片和上耳片各設置兩個節點來確保三個方向的自由度，而在垂直耳片上設置兩個節點來確保其中兩個垂直方向的自由度。此外，模型荷載通常分為兩個部分，一方面來自于飛機機翼結構模型中主梁和蒙皮連接區的荷載，另一方面來自于飛機機翼結構模型中各有限元節點產生的荷載。

結論：總而言之，隨著時代的不斷發展和進步，航空運輸事業發展步伐越來越快，為了進一步提升飛機的整體性能，我們需要充分了解飛機的整體結構，通過先進的有限元模型和ANSYS分析軟件來進行計算，明確優化設計的細節和方案，從整體和局部等各個方面來調整飛機結構，最大限度的提升材料利用效率，增強飛機的整體承載能力，推動我國航空運輸事業的健康可持續發展。