發動機吊掛接頭強度分析方法研究

李馳 趙秀峰

摘 要：針對一種發動機吊掛接頭的強度進行了工程計算和有限元分析，分別得到了接頭失穩載荷，應力應變以及失穩模態，根據有限元分析結果對結構失穩和破壞模式進行了預測。通過試驗對兩種分析方法進行了對比驗證。結果表明，對于接頭這類非標準結構，有限元分析比工程計算具有更高的失穩及應力應變計算精度，同時可以得到失穩模態，預測破壞形式。

關鍵詞：吊掛接頭；工程計算；有限元分析；失穩；破壞形式

中圖分類號：V216 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）09-0087-03

Abstract： The engineering calculation and finite element analysis of the strength of a kind of engine hoisting joint are carried out， and the unstable load， stress strain and instability mode of the joint are obtained respectively. According to the results of finite element analysis， the instability and failure mode of the structure are predicted. The two analytical methods are compared and verified by experiments. The results show that the finite element analysis has higher precision of calculation of instability and stress-strain than the engineering calculation for the non-standard structures such as joints， and can obtain the instability mode and predict the failure form at the same time.

Keywords： hanging joint； engineering calculation； finite element analysis； instability； failure form

引言

發動機吊掛是連接飛機機翼與發動機的重要部件，其中“L”型接頭與加筋壁板鉚接組合為其常見形式，被廣泛應用于各型飛機的吊掛結構中，其具有受載大的特點。當接頭承受壓載時，與其相連的加筋壁板往往會發生失穩甚至破壞，給飛機安全帶來隱患，因此在設計時需特別注意。

目前對于吊掛接頭的強度分析通常采用工程計算方法，利用該方法對接頭這種非標準結構進行強度計算主要有以下缺點：（1）應力/應變計算精度不夠；（2）失穩載荷計算不夠準確；（3）失穩/破壞模式難以預測。本文介紹了一種發動機吊掛接頭的有限元強度分析方法，通過與工程計算結果進行對比并通過試驗驗證，說明了該分析方法的優勢所在。

1 工程計算

以圖1所示的“L”型接頭為例進行工程計算，由于虛線框內為該結構的薄弱區域，即最容易發生失穩/破壞區域，因此將該區域作為分析考核段。考核段為受軸壓的加筋平板，其總體失穩臨界應力公式為[1]：

經計算得到的失穩載荷比為57.7%。

2 有限元分析

以圖1所示的“L”型接頭為例，采用Patran&Nastran;軟件進行有限元建模[2]。

2.1 有限元建模及材料性能

接頭耳片采用實體單元Tet4（四節點四面體）進行網格劃分，加筋平板采用Quad4（四邊形殼單元）建模。接頭耳片與加筋壁板之間采用RBE2（剛體元）進行連接，用來模擬二者之間的鉚釘連接，有限元模型如圖3所示，材料及性能見表2。

2.2 邊界條件及載荷施加

“L”型接頭通過加筋平板兩端鉸支約束，在有限元模型中，分別約束加筋平板兩端的X向、Y向和Z向平動，約束點與平板筋條通過RBE2（剛體元）進行耦合。載荷施加在接頭耳片耳孔中心點，中心點通過RBE2（剛體元）與耳孔內圈耦合，載荷大小見表1。

2.3 求解

首先，對于接頭采用Nastran中的線性模塊（Linear Static）進行分析，得到其在最大載荷下考核段區域的應力應變。

其次，對于接頭加筋平板的壓縮穩定性采用Nastran中的屈曲模塊（Buckling）進行分析，該模塊是通過提取使線性系統剛度矩陣奇異的特征值來獲得接頭的臨界失穩載荷及失穩模態。其求解原理如下：

根據應力應變云圖可知，1～3區域截面為應力最大區域，結構在該處最容易發生破壞，再結合失穩模態圖，預測考核段應先于該區域發生失穩，其失穩形式為向接頭內側彎折，隨著載荷的逐步增大，考核段彎曲變形愈發嚴重，最終應當為整個截面的失穩破壞，并伴隨有筋條的彎曲或斷裂。

3 試驗驗證與對比分析

為比較工程計算方法與有限元分析方法的準確性，通過接頭試驗進行驗證。試驗件通過支持夾具固定在承力墻上，試驗支持夾具與試驗件下端過渡段通過連接帶板連，與試驗件上端通過接頭連接。試驗件安裝及支持示意圖如圖5所示。

表3為穩定性計算結果與試驗結果的對比，表4為有限元分析應變結果與試驗結果的對比。由表4知工程計算的失穩載荷結果與試驗結果相比誤差較大，且結果偏危險。這主要是因為本例中的考核段不是標準的加筋壁板，其兩側筋條與中間兩根筋條尺寸差別較大，同時平板中間有部分被銑削變薄的區域，這些都對工程計算的結果造成了影響。

而采用有限元分析方法可以較為準確的計算出失穩載荷，誤差僅為1%，且計算結果較為保守（見表3）；采用有限元分析方法得到的考核區應變與試驗結果吻合較好，誤差均較?。ㄒ姳?）。主要原因是采用有限元分析方法是基于有限元模型進行計算的，只要模型與真實結構尺寸參數、材料性能等保持一致，就能夠較為準確的計算出失穩及應力/應變結果，從而避免采用工程方法計算非標準結構帶來的誤差。

試驗件最終破壞形式主要有考核段加筋平板向內側彎折，考核段側緣出現撕裂以及考核段內側加強筋出現彎曲變形等，如圖7所示。

由試驗件破壞形式可以看出，通過有限元分析方法預測得到的失穩區域和破壞形式與試驗結果相吻合。有限元分析方法在應力/應變分析和失穩分析方面都具有很高的計算精度，同時可以得到失穩模態，預測破壞模式，與工程計算方法相比具有明顯優勢。

4 結束語

本文對一種常見的吊掛“L”型接頭強度進行了工程計算和有限元分析，并進行了試驗驗證。對于非標準結構，采用有限元分析方法可以得到更為精確的應力/應變和失穩載荷，同時，采用有限元分析方法可以得到與試驗結果相近的失穩模態，并預測結構破壞形式。

參考文獻：

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