接頭結(jié)構(gòu)強度設(shè)計分析

熊 盼，龔思楚，侯 方，黃 穎，吳宇飛

（1.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024；2.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌，330029）

0 引 言

飛機結(jié)構(gòu)中需要接頭結(jié)構(gòu)傳遞集中力，通過接頭結(jié)構(gòu)將集中力擴散到主傳力結(jié)構(gòu)上。在針對接頭結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計中，形成了一系列工程計算方法、解析計算方法及數(shù)值計算方法；在型號設(shè)計中考慮到研制周期及經(jīng)濟性，往往選擇工程計算方法，實現(xiàn)快速設(shè)計及校核接頭結(jié)構(gòu)，并且在型號設(shè)計中得到了很好的應(yīng)用[1]。

工程計算方法通過一系列合理假設(shè)及簡化結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，利用工程力學(xué)原理對接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行載荷計算及應(yīng)力計算，根據(jù)強度原則得到結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸。工程計算方法簡單易懂，設(shè)計周期短，但在工程應(yīng)用中也存在明顯的局限和制約，比如在對接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程簡化時，存在經(jīng)驗問題，由于工程設(shè)計人員具有經(jīng)驗差異，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時很難實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化建模；其次基于工程力學(xué)原理的假設(shè)應(yīng)用條件多，本身就限制了方法的應(yīng)用，很著名的一個假設(shè)就是長梁假設(shè)，忽略了結(jié)構(gòu)中的一些影響不大的分量，但飛機結(jié)構(gòu)中的接頭結(jié)構(gòu)往往為短梁結(jié)構(gòu)，即原有假設(shè)就不成立了，使得計算模型非常復(fù)雜，容易出現(xiàn)漏算。

隨著數(shù)值計算發(fā)展，基于有限元的數(shù)值計算軟件逐漸應(yīng)用到飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在針對接頭結(jié)構(gòu)的有限元分析中，往往將結(jié)構(gòu)簡化為殼元模型，便于定義厚度等結(jié)構(gòu)尺寸，但在實際應(yīng)用中，殼元模型也存在精度問題，首先基于數(shù)值計算方法得到的數(shù)值解與解析解之間本身就存在計算誤差，其次殼元模型存在邊界效應(yīng)，即殼元模型無法模擬結(jié)構(gòu)中的倒角、圓角等降低應(yīng)力集中的設(shè)計，模型計算結(jié)果顯示，在結(jié)構(gòu)邊界處應(yīng)力集中明顯，使得結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計偏保守，結(jié)構(gòu)輕量化程度不高[2-5]。

隨著型號設(shè)計中對產(chǎn)品的研制周期、經(jīng)濟性及輕量化等要求的不斷提高，對研發(fā)設(shè)計的要求也是精益求精，針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度仿真計算需求也愈加迫切，通過高度非線性有限元計算及設(shè)計軟件的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)仿真模型的計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的同步進(jìn)行；在加快設(shè)計進(jìn)程外，通過高度非線性有限元對結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度計算，規(guī)避設(shè)計風(fēng)險及設(shè)計盲點。

本文通過非線性有限元軟件ABAQUS 對某型飛機關(guān)鍵接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真建模，將計算得到的載荷結(jié)果及應(yīng)力結(jié)果與工程計算方法及殼元模型計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 結(jié)構(gòu)強度計算模型

針對接頭結(jié)構(gòu)分別建立工程計算模型、殼單元仿真模型及基于ABAQUS 軟件的實體單元模型； 工程計算模型將接頭結(jié)構(gòu)簡化為一根梁，應(yīng)用工程力學(xué)計算方法進(jìn)行強度計算，殼單元仿真模型中分別將接頭結(jié)構(gòu)及其周邊連接結(jié)構(gòu)簡化為殼單元，緊固件通過梁元模擬，在模型邊界處根據(jù)結(jié)構(gòu)傳力特性定義約束，如圖1 所示。實體單元仿真模型中將接頭結(jié)構(gòu)、連接結(jié)構(gòu)及緊固件簡化為實體單元，通過建立接觸對來定義緊固件傳力，在模型邊界處根據(jù)結(jié)構(gòu)傳力特性定義約束，如圖2 所示。有限元模型主要由接頭結(jié)構(gòu)、前后框板、下隔板及螺栓組成。

圖2 接頭結(jié)構(gòu)實體單元仿真模型

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)果對比

分別將工程計算模型、殼單元仿真模型及實體單元模型提交計算，提取接頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，選取接頭結(jié)構(gòu)兩個典型剖面進(jìn)行計算，分別為接頭結(jié)構(gòu)前、后端面，計算結(jié)果如圖3～圖6 所示，其中去除了螺栓連接處應(yīng)力集中單元，接頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比結(jié)果如表1 所示，分別將有限元計算結(jié)果與工程方法計算結(jié)果進(jìn)行對比。提取模型緊固件連接載荷，接頭結(jié)構(gòu)前、后端面緊固件連接載荷如圖7～圖8 所示，前端面連接載荷對比如圖9 所示，后端面連接載荷對比如圖10 所示。

圖3 殼單元仿真模型前端面Mises 應(yīng)力云圖

圖4 殼單元仿真模型后端面Mises 應(yīng)力云圖

圖5 實體單元仿真模型前端面Mises 應(yīng)力云圖

表1 接頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比結(jié)果

圖6 實體單元仿真模型后端面Mises 應(yīng)力云圖

圖7 殼單元仿真模型前端面連接載荷

圖8 殼單元仿真模型后端面連接載荷

圖9 前端面連接載荷對比示意圖

圖10 后端面連接載荷對比示意圖

2.2 對比分析

如圖3～圖6 可知，通過殼單元仿真模型與實體單元仿真模型計算得到，接頭結(jié)構(gòu)前、后端面處應(yīng)力嚴(yán)重位置基本一致，由表1 應(yīng)力對比結(jié)果可知，實體單元模型應(yīng)力計算結(jié)果與工程方法計算結(jié)果誤差分別為6.5%、4.3%，而殼單元模型應(yīng)力計算結(jié)果與工程方法計算結(jié)果誤差分別為41%、20.7%，可見應(yīng)用實體單元的整體有限元模型與工程方法計算結(jié)果誤差小，通過建立整體有限元模型與試驗結(jié)果進(jìn)行對比可知，實體單元的整體有限元模型與試驗結(jié)果誤差小，因此認(rèn)為相對于殼單元有限元模型，基于ABAQUS軟件的實體單元仿真模型計算結(jié)果更準(zhǔn)確。

由圖9、圖10 可知，接頭結(jié)構(gòu)前、后端面緊固件連接載荷工程方法計算的各個螺栓載荷相近，趨于平均；而殼單元仿真模型與實體單元仿真模型計算的各個螺栓載荷差異性大，但兩種模型螺栓載荷趨勢一致，這是因為工程方法在計算連接載荷時，只有在計算彎矩分載時會考慮螺栓群剛度問題，而集中力分載時認(rèn)為各個螺栓剛度相同，因此分得的載荷相同，在實際螺栓群對集中力的分配中，由于螺栓的排布位置不同，每個螺栓分得的載荷是不同的，由于模型中集中力是接頭結(jié)果作用的主要載荷，因此通過工程方法計算得到的螺栓載荷是趨于平均的；而有限元模型能夠反映螺栓由于位置不同導(dǎo)致的剛度差異，使得每個螺栓載荷差異性較大。

3 結(jié) 論

通過建立典型接頭結(jié)構(gòu)殼單元整體模型及實體單元整體模型，在消除剛性邊界條件影響的前提下，通過與工程計算方法結(jié)果進(jìn)行對比，可知基于ABAQUS 非線性有限元軟件進(jìn)行接頭結(jié)構(gòu)仿真計算更精確，在進(jìn)行接頭結(jié)構(gòu)強度設(shè)計工作時，先通過工程方法確定接頭結(jié)構(gòu)基本尺寸及連接方式，通過建立實體單元整體有限元模型進(jìn)行校對，能夠快速準(zhǔn)確的完成結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，縮短型號研制周期，有效規(guī)避設(shè)計風(fēng)險及設(shè)計盲點，降低產(chǎn)品研發(fā)成本。