飛機裝配型架剛度校核的線框化方法

鄧忠林+劉建業(yè)

摘 要：飛機型架設(shè)計中的剛度校核是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，正確的簡化方法能夠提高剛度校核的準確性并降低因邊界條件處理不當造成的有限元分析誤差。本文提出一種型架骨架線框化的簡化方法，更準確的實現(xiàn)型架的簡化，并討論了其有限元的計算方法。

關(guān)鍵詞：飛機型架；剛度；線框化；簡化

中圖分類號：V262.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）09-0087-01

飛機裝配型架是指在飛機裝配過程中所使用的具有定位功能的適合飛機結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)特點的工藝裝備。飛機鈑金零件尺寸大而剛度小，必須依靠型架來保證其準確度與互換性，因此型架需要有足夠的剛度且又不笨重。本文從結(jié)構(gòu)簡化、載荷簡化、邊界條件三個方面，介紹了一種型架骨架線框化的型架模型簡化方法，并對之后的有限元處理部分進行了分析。

1 裝配型架的簡化處理

為方便參數(shù)化和剛度分析，首先需對型架進行簡化處理。骨架是型架的基體，用于夾緊件、定位件等其他元件的固定和支撐，保證各元件的空間位置的準確性與穩(wěn)定性。因此在進行型架剛度校核時，將骨架作為有限元分析的主體，其他部分將作為力系和約束作用在骨架上。

1.1 骨架結(jié)構(gòu)簡化

飛機裝配型架的骨架通常由底座、立柱、支臂、梁等標準化原件組成，其中梁的變形量占總體變形量的大部分，因此剛度校核主要針對的是梁的變形。此類結(jié)構(gòu)長度尺寸比兩個截面方向的尺寸大的多，符合有限元分析中桿件的概念。而型架的主體骨架則可視為由若干個桿件在有限個點上連接而成的桿件結(jié)構(gòu)。因此可以進行如下簡化：

（1）結(jié)構(gòu)中單個獨立的元素單元都可視為梁單元或桿單元。區(qū)別單元是否承受彎矩與是否具有轉(zhuǎn)交自由度θi，若單元考慮受彎狀況則視其為梁單元，由于梁單元的長度尺寸比兩個截面方向尺寸大的多，可以忽略剪切形變的影響。

（2）各個梁單元的結(jié)合處我們可根據(jù)不同的情況將其視為兩種形式的節(jié)點。如果該結(jié)合處連接的兩個梁單元不會發(fā)生相對運動，在該節(jié)點處可以進行彎矩傳遞。如果該結(jié)合處連接的兩個梁單元只會發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，而不會發(fā)生相對移動，在該節(jié)點處不能進行彎矩傳遞。

（3）梁單元的位置可由原結(jié)構(gòu)的形心軸線位置確定，結(jié)點位置位于梁單元截面形心處，梁單元長度由結(jié)點之間距離確定。

（4）在進行型架剛度分析時，主要形變結(jié)構(gòu)為骨架的上下橫梁，骨架立柱上的支座起穩(wěn)定和提高立柱剛度作用，且當其布置位置高于下橫梁位置時才會起明顯提高剛度作用，因此在簡化立柱支座小于下橫梁位置的情況時，可以忽略立柱支座。

1.2 作用載荷簡化

在型架剛度分析中需要考慮的載荷分基體載荷和后加載荷兩種，其中：

（1）基體載荷即型架梁或框架的自重，若有元件焊接于框架上也應(yīng)將其考慮進基體載荷內(nèi)而不是后加載荷內(nèi)。

（2）后加載荷即在梁上定位點的安裝過程中逐步加與其上或最后加與其上的載荷可以分為以下幾種：1）產(chǎn)品的重量。產(chǎn)品的重量可其具體作用在梁單元上的方式按集中載荷簡化，若是產(chǎn)品由卡板裝夾，可將產(chǎn)品重量平均分配到上下梁卡板支點處，若出于保守考慮也可將其只分配于單個梁單元上。2）卡板及叉子重量。叉子固定于橫梁起連接卡板作用，可將叉子與卡板視為整體考慮，當其數(shù)量少且間距大時可將其按集中載荷簡化，平均分配到上下梁支點上。當布置緊密，數(shù)量多且間距小時，可以將其按均布載荷簡化。實際情況中卡板往往不會安裝在梁單元的軸線上，但安裝位置往往與軸線距離不遠且單個卡板重量偏小，所以我們可以忽略由偏心產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩。3）接頭定位件重量。接頭定位件重量可按集中載荷簡化，作用位置根據(jù)具體情況確定。4）操作工人重量。可按人均體重70kg簡化為集中載荷，按最嚴重的情況作用在具體的位置上。

1.3 邊界條件的簡化

分析模型的邊界點一般可以很直觀的根據(jù)實際結(jié)構(gòu)的邊界情況確定，多數(shù)型架底座是通過地腳螺釘固定于專用的基礎(chǔ)上的，可以將其簡化為固定支座，這種情況底座不會發(fā)生轉(zhuǎn)動或移動。

2 型架的有限元計算方法

在線框化簡化模型之后，某些簡單典型型架可按材料力學方法，按公式進行計算。但某些結(jié)構(gòu)復雜的空間型架如用于機身后段的六邊形空間型架，無法按照材料力學簡化，則需要用有限元的方法驗證其剛度，進行有限元分析時，將載荷點、連接點與邊界點視為有限元的結(jié)點，將簡化的梁和桿視為單元，將簡化載荷按照靜力等效原理，等效的將其分配到對應(yīng)作用的結(jié)點上去。在單元與結(jié)點劃分成功后，找出節(jié)點位移與單元體內(nèi)任意一點的位移關(guān)系式，即找出位移函數(shù)，并根據(jù)位移關(guān)系式按照幾何與物理關(guān)系得到任意目標單元內(nèi)位移與應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系式。后根據(jù)虛位移原理：在外力作用下的彈性體，當發(fā)生約束所允許的任意微小虛位移時，外力在虛位移上所做的功等于彈性體內(nèi)虛應(yīng)力在虛位移上所做的功。由此便能得到單元體內(nèi)結(jié)點力與位移的關(guān)系式，剛度方程：

3 結(jié)語

本文提出的型架線框化簡化方法明確了在不同條件下的型架結(jié)構(gòu)、載荷、邊界的處理方法，并對簡化后的有限元分析剛度部分進行了討論，但在工程中載荷的加載條件和模式差異很大，應(yīng)根據(jù)具體情況考慮簡化，在進行有限元分析時可利用上述方法使用工程分析（CAE）軟件進行運算處理，以此來降低計算的困難程度并提高結(jié)果輸出的準確性。

參考文獻

[1]何文治.航空制造工程手冊：飛機工藝裝配[M].北京：航空工業(yè)出版社，1994.12.

[2]王云渤.飛機裝配工藝學[M].北京：國防工業(yè)出版社，1990.

[3]解安生.型架設(shè)計中的計算機輔助分析[D].西北工業(yè)大學，2001.