某吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)靜力特性分析

田玉艷， 王進(jìn)， 呂超

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，河南 洛陽(yáng) 710089）

某吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)靜力特性分析

田玉艷， 王進(jìn)， 呂超

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，河南 洛陽(yáng) 710089）

針對(duì)某吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，采用有限元進(jìn)行建模，模擬了在最大載荷作用下該結(jié)構(gòu)的受力特性，驗(yàn)證該吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)能夠滿足使用要求，為其進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)。

轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)；特性分析；有限元

0 引言

吊艙是飛機(jī)改裝工程中常見(jiàn)的加裝對(duì)象，在飛機(jī)上掛裝的方法通常有兩種：一種是將吊艙接耳與飛機(jī)接耳直接連接掛裝，另一種是通過(guò)轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)分別與吊艙接耳和飛機(jī)接耳連接掛裝。后一種方法只需要改變轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)形式就能夠在同一架飛機(jī)上掛裝不同尺寸、形狀的吊艙，減小飛機(jī)結(jié)構(gòu)更改，提高飛機(jī)使用效率。本文采用有限元分析軟件對(duì)某吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力特性分析，了解了該吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，驗(yàn)證該吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)能夠滿足使用要求，為其進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)。

1 有限元理論

有限元法是把求解區(qū)域看作由許多在節(jié)點(diǎn)處相互連接的小單元所構(gòu)成，其模型給出基本方程的分片近似解，由于單元可以被分割成各種形狀和大小不同的尺寸，所以它能很好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀、復(fù)雜的材料特性和復(fù)雜的邊界條件。

由彈性體的虛功原理可知外力作用下處于平衡狀態(tài)的彈性體，外力在任意虛位移上所做的虛功等于彈性體整個(gè)體積內(nèi)的應(yīng)力在虛應(yīng)變上所做的功。

即：

式中：W*為外力在任意虛位移上所做的虛功；U*為彈性體整個(gè)體積內(nèi)的應(yīng)力在虛應(yīng)變上所做的功。

此外

式（2）、式（3）中：δ*為虛位移；F為外力；ε*為虛應(yīng)變；σ為內(nèi)應(yīng)力。

將式（2）、式（3）代入式（1）得：

經(jīng)簡(jiǎn)化得：

式中：B為幾何矩陣；D為彈性矩陣。

由于虛位移為任意值，而實(shí)位移是節(jié)點(diǎn)位移，與坐標(biāo)無(wú)關(guān)。故上式可整理成剛度方程：

則有剛度矩陣：

得到單元?jiǎng)偠染仃嚭螅赏ㄟ^(guò)線性疊加的方法得到總剛度矩陣K,從而求解整個(gè)彈性體所需未知量。

2 吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)介紹

由圖1所示，本文研究的某吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)是由主撐桿組合件、斜撐桿、吊艙連接接耳、飛機(jī)連接接耳等部件組成。吊艙連接接耳與掛裝吊艙連接，飛機(jī)連接接耳與飛機(jī)機(jī)體連接。主撐桿組合件由框架主撐桿與輔助斜拉桿鉚接而成，框架主撐桿與輔助斜拉桿截面形狀為圓環(huán)，框架主撐桿截面尺寸為14 mm×2 mm，輔助型材截面尺寸為10 mm×2 mm。斜撐桿截面形狀也為圓環(huán)，截面尺寸為25 mm×3 mm。

3 有限元模型建立

圖1 吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)實(shí)體模型

將某吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)實(shí)體模型導(dǎo)入有限元分析軟件中進(jìn)行預(yù)處理。在導(dǎo)入前需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化成可以分析的模型。因?yàn)閷?shí)體模型包含的零部件較多，連接復(fù)雜。如果將實(shí)體模型直接導(dǎo)入有限元分析軟件中，會(huì)增加網(wǎng)格劃分難度和計(jì)算機(jī)計(jì)算量，且影響計(jì)算精度。在不影響結(jié)構(gòu)受力特性和質(zhì)量分布的前提下，將實(shí)體模型中的桿簡(jiǎn)化成長(zhǎng)度相等的線元；將接耳各實(shí)體面簡(jiǎn)化成形狀相同的二維面元；采用螺紋固定連接的零件在有限元分析軟件中進(jìn)行多點(diǎn)約束處理；同時(shí)簡(jiǎn)化掉影響不大的圓角、倒角等。簡(jiǎn)化后模型如圖2所示。

由于吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)各零件受力情況復(fù)雜，因此劃分網(wǎng)格時(shí)桿采用beam單元，接耳各面采用shell單元。單元疏密程度采用mesh seed數(shù)量和 global edge length值進(jìn)行控制，共計(jì)105 412個(gè)單元，116 944個(gè)節(jié)點(diǎn)。吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示。

吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)各零件均采用合金鋼，其參數(shù)為：屈服強(qiáng)度為530 MPa，彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3。

最后根據(jù)實(shí)際固定約束情況和承載情況對(duì)有限元模型進(jìn)行邊界和載荷條件約束。本文吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)上飛機(jī)連接接耳用螺栓和飛機(jī)固連，因此有限元模型邊界約束端6個(gè)方向自由度均設(shè)置為0；吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)掛裝吊艙重120 kg，并在垂直方向受3g過(guò)載時(shí)吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)承載最大，因此吊艙連接接耳上每個(gè)螺栓位置載荷約束值為<0,0,200 N>。

圖2 吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

圖3 吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)有限元模型

4 有限元分析結(jié)果

利用NASTRAN計(jì)算得到最大載荷作用下吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和桿應(yīng)力云圖如圖4～圖7所示。

由圖4可知，吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力位于主撐桿組合件飛機(jī)連接接耳上，其值為264 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度530 MPa；由圖5可知，吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變位于撐桿組合件掛裝吊艙端的斜拉桿上，此處為吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)受力最薄弱環(huán)節(jié)；由圖6可知，吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)最大位移位于主撐桿組合件掛裝吊艙連接接耳上，其值為0.485 mm；由圖7可知，吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)桿的最大應(yīng)力位于主撐桿組合件掛裝吊艙端的斜拉桿上，其值為17.6 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度530 MPa。

圖4 吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖5 吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D

圖6 吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)位移云圖

圖7 吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)桿應(yīng)力云圖

由以上分析可知，該吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求，但吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)中桿的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，可進(jìn)一步優(yōu)化吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)的形式，提高桿的承載效率，從而降低吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)的重量。

5 結(jié)論

文中針對(duì)某吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，通過(guò)簡(jiǎn)化、有限元建模，并在最大載荷作用下模擬其受力特性，得到了該吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和桿應(yīng)力云圖，通過(guò)分析驗(yàn)證該吊艙轉(zhuǎn)接桁架結(jié)構(gòu)能夠滿足使用要求，并為其進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高結(jié)構(gòu)承載效率、降低結(jié)構(gòu)重量提供了可靠的理論依據(jù)。

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Static Characteristic Analysis on Transferring Truss Structure of a Pod

TIAN Yuyan， WANG Jin， LYU Chao
(Chinese Flight Test Establishment,Luoyang710089,China)

According to the actual situation of transferring truss structure of a pod,finite element method is used to simulate the force characteristics of the structure under the action of maximum load.It is verified that transferring truss structure of a pod can meet the requirement of use,and provides a reliable theoretical basis for further optimized design.

transfer truss structure;characteristic analysis;finite element

TU 323.4

A

1002－2333（2018）01－0072－03

（編輯昊 天）

田玉艷（1984—），女，工程師，從事試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)改裝工作。

2017-04-21