基于Abaqus的飛機蒙皮拉伸機機身結構數值模擬

摘 要：本文基于彈塑性的有限元理論建立了蒙皮拉伸機機身結構模型，運用通用有限元軟件Abaqus對蒙皮拉伸機結構受力過程進行彈塑性仿真分析。研究了模型中主要受力部件的受力情況，模擬獲取并分析了等效應力、等效變形應變云圖等的受力分布情況。該方法比一般的試驗法更省時、省力，在研究蒙皮拉伸工藝和開發新產品設備方面具有工程應用價值。

關鍵詞：飛機蒙皮拉伸機；有限元分析；應力應變；拉伸成形

中圖分類號：TG 31" " " " " 文獻標志碼：A

飛機氣動外形蒙皮零件（飛機機身、機翼、整流罩和尾椎等部位）的主要成形方式之一是通過蒙皮拉伸成形機完成的，產品成形質量取決于拉形工藝的不斷優化，蒙皮拉形裝備的先進程度也會對拉形的產品質量產生較大影響[1]。目前，先進的蒙皮拉形裝備主要被美、法等國壟斷，為了不斷提升飛機蒙皮類零件的生產效率和產品質量，國內各大航空、航天主機廠和零部件配套商都通過采購國外先進的蒙皮拉形裝備來解決生產產能問題[2-3]。在這種形勢下，通用技術天鍛公司科研人員經過不懈努力，使自主研發的600（2×300）t

數控蒙皮拉伸機于2015年2月正式下線，該設備技術指標已經得到行業內相關專家的認可，并達到國際領先水平。現該設備已成功投入使用。作為國內首臺大型綜合蒙皮拉伸機，該設備標志著我國從此徹底打破了國外對飛機蒙皮拉伸機的壟斷地位。

本文通過有限元仿真分析軟件Abaqus對600（2×300） t綜合蒙皮拉伸機的機身框架結構進行了有限元仿真分析，通過數值模擬對機身結構的應力-應變數據進行分析，為后續大噸位蒙皮拉伸裝備的設計提供理論數據支撐。

1 蒙皮拉伸機的結構綜述

蒙皮拉伸機主要由機架、主工作臺、輔助工作臺、鉗口、鉗口托板、上工作臺和安全踏臺等組成。整機的主體部分采用了先進的設計方法，采用“有限元力學分析軟件”對各個結構件和整機框架進行受力模擬分析，從而保證蒙皮拉伸機主體結構的可靠性[4-6]。機架和鉗口托板為主要受力部件。

托板機構主要用于安裝鉗口，可完成鉗口的縱向移動、鉗口的俯仰、鉗口拉伸以及鉗口垂直面上的旋轉等功能。鉗口托板機構由主梁、拉伸缸、俯仰缸、旋轉缸、推動缸和襯套等結構組成。鉗口托板能適應于三坐標運動[7-8]，鉗口與安裝在主梁尾部的拉伸缸連接起來，這3個運動是鉗口沿主梁外側和內側的直線運動（6 096 mm）、鉗口向上轉動以跟蹤模具切線的沿水平軸的俯仰（0°～45°）以及鉗口在垂直面±30°的旋轉。此外，托板必須具有鎖緊性能，該鎖緊必須能承受在成形窄零件、鉗口鎖緊情況下產生的力矩。托板由行程/拉伸缸驅動并在主梁上運動，包括4個行程/拉伸缸，每個缸均安裝在各主梁的端頭。拉伸缸內徑為355.6 mm，活塞桿直徑為177.8 mm。缸中心線與鉗口耳軸在一條線上，使作用到托板上的彎矩最小。每個油缸有獨立的伺服控制。蒙皮拉伸機整體的機身結構如圖1所示。

2 蒙皮拉形機機身模型建立

2.1 有限元建模

有限元分析模型主要由機架和托架2個部分組成。本文選取機身整體的1/2建模（如圖2所示），可簡化建模，減少運算時間，降低對硬件的要求，并提高計算效率。

所選材料為鋼板Q345-B，其物性參數，包括材料的彈性模量、泊松比見表1。

2.2 邊界條件和載荷的確定

在有限元分析中，邊界條件設置的準確性與可靠性將直接影響仿真分析結果。在第一個分析步中，需要對鉗口托板設置預緊力，此時只對模型中的各個受力螺釘施加相應大小的預緊力，同時將對架體底部固定。在第二個分析步中，除沿用第一個分析步中的邊界條件外，還要在托板法蘭和拉伸缸接觸法蘭接觸面上施加額定載荷的均布力（如圖3所示）。

2.3 有限元網格劃分

網格是有限元分析的基本單元，網格設置的大小和形狀對分析結果的正確性與準確性有較大影響，因此，進行網格劃分時，原則上網格尺寸越小，計算分析精度越高，但是花費的計算時間也越長，對計算機硬件的要求也會相應提升。如果網格尺寸過大，就會降低計算精度，甚至導致計算過程不收斂，無法產生有效結果。在熱沖壓成形件的劃分中，由于板料的變形比較大，因此存在較大網格畸變，使板料間的單連接區域變成多連接區域，重疊并造成附體積，會縮短時間步長并降低求解精度，需要對有限元模型進行自適應網格劃分。模型局部特征的變形比較大，需要在計算迭代的過程中不斷優化、調整網格的尺寸，使網格與物理進行吻合，從而提高精度。自適應網格技術在數值分析中至關重要。采用有限元網格離散化過程中，如果網格劃分比較粗，就會造成較大誤差。如果網格比較細密，網格單元的總數就會增多，會延長分析、計算時間。如果采用自適應網格劃分技術，就能在分析過程中利用網格的自適應性，平衡分析計算時間和精度。

本模型采用的單元類型為實體三角形六節點單元。根據模型的復雜程度，應用智能網格劃分，將蒙皮拉伸機關鍵部位的網格設置得更密，將模型非關鍵部位的網格設置得更大（如圖4所示），以有效降低模型計算時間，同時也不會影響分析精度。對模型的有限元網格進行分析檢查，保證不會出現網格缺陷，導致無法進行計算。

3 模擬結果分析與討論

3.1 蒙皮拉伸機機身強度和剛度分析結果

在滿噸載荷下，設備鉗口托板的等效應力云圖如圖5所示。從圖5可以看出，蒙皮拉伸機的機架筋板受力比較均勻，等效應力值為57 MPa～77 MPa。制造機架筋板的Q345B材料屈服強度高達345 MPa，其安全系數高達4.4倍，因此機架筋板的強度能滿足靜載設計要求。

鉗口托板與機架的結合處屬于高應力區域范圍，在300t滿噸位的負荷下，鉗口托板所用的連接螺釘受較集中的拉應力，最大等效應力為115 MPa，遠小于材料的許用屈服應力極限1 080 MPa，安全系數高達9倍，因此所用螺釘的設計是安全的，符合設計要求。

由模擬分析可知，滑軌受翻轉力矩，因此在高載荷狀態下，滑軌與鉗口托板連接的導板區域部分存在應力集中現象，最大等效應力為120MPa，小于材料的彈性屈服極限350MPa，導板強度無問題。鉗口托板的最大等效應力237.8MPa，小于材料的許用應力600MPa，滿足設計要求。

鉗口機架在承受工作載荷過程中會產生一定的彈性變形，因此需要對其剛度進行分析。鉗口托板和機架在承受滿載300t條件下的變形云圖如圖6所示。由圖6可知，托板軸向最大撓度為11.15mm，即0.695mm/m。鉗口機架在受力狀態下產生的變形主要集中于Z軸方向，會對鉗口托板導軌在受力狀態下的運動產生一定影響。但是鉗口托板的導軌調節裝置可以增加間隙，進而對此微小變形量進行有效補償，因此機架剛度滿足導軌運動要求，整體結構可靠。此外，根據設計標準要求，機架的設計剛度需要控制在1/7000，以避免設備精度超差。經分析，在滿噸位載荷狀態下，機架最大點與最小點的變形量約為0.5mm，設備機架兩端間距約為4000mm，從而得出剛度為0.5/4000＝1/8000，下設備機架的剛度滿足要求，整體結構可靠。

4 結論

對于受翻轉力矩的滑軌，由于在受滿載的情況下內部導軌的螺釘受力遠大于外部滑軌的受力，因此應相應增加內部的螺釘數量，以抵抗翻轉變形受力。本文利用有限元分析法進行蒙皮拉伸機機身結構設計，獲得了最佳結構尺寸。并對600 t蒙皮拉伸機機身的結構進行數值模擬，其分析、設計思路和獲取的數據對今后類似大型蒙皮拉伸設備的研制具有指導意義。

參考文獻

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通信作者：尹健（1992-），男，河南長葛市人，本科，工程師，主要研究方向為航空航天特種裝備和工藝。

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