基于CATIA的某型發(fā)動機安裝架車前梁有限元分析優(yōu)化

張茂杉 齊慧英 劉天宇

【摘 要】本文針對某型發(fā)動機安裝架車設(shè)計過程中，架車前梁復(fù)雜的受力狀況，采用法國達索公司的CAD/CAE軟件進行前梁的3D建模設(shè)計，并通過軟件自帶的有限元分析模塊對發(fā)動機安裝架車前梁進行了分析并進行了優(yōu)化設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】有限元分析;CAD/CAE;優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號： TG751.2 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）11-0013-002

【Abstract】Aiming at the complicated stress condition of the front beam during the design of a certain type of engine mounting and erecting vehicle， this paper adopts the CAD/CAE software of Dassault Company of France to carry out the 3D modeling design of the front beam， and carries out the analysis and optimization design of the front beam of the engine mounting and erecting vehicle through the finite element analysis module of the software.

【Key words】Finite element analysis; CAD/CAE; Optimal design

0 引言

隨著新時代軍事變革的日益深化，人民空軍的日常作訓(xùn)強度不斷加強，這對于航空修理來說是一次巨大的考驗。在飛機航空修理中發(fā)動機的安裝和拆卸需要專門的發(fā)動機安裝架車進行操作，某型發(fā)動機安裝架車具有機構(gòu)精巧、操作方便，安全可靠等特點（如圖2所示），發(fā)動機安裝架車前梁位于發(fā)動機安裝架車前端，承受著發(fā)動機安裝托架和發(fā)動機的重量，受力情況復(fù)雜，如果發(fā)生形變對發(fā)動機的裝發(fā)和脫發(fā)作業(yè)有重大影響，導(dǎo)致裝發(fā)脫發(fā)的作業(yè)失敗，造成國家財產(chǎn)的重大損失。本文通過有限元分析的方法對發(fā)動機安裝架車前梁進行優(yōu)化設(shè)計。

1 建立參數(shù)化模型

CATIA 軟件作為建模分析工具，將三維建模與分析結(jié)合在一起，模型建立之后可以直接進入分析模塊，省去了不同軟件借口之間導(dǎo)入導(dǎo)出所需的大量模型修改工作的，比傳統(tǒng)分析軟件具有更好的兼容性。當(dāng)分析結(jié)果不能滿足需要時，可以直接返回Mechanical Design>Part Design進行模塊修改，能夠節(jié)省大量的設(shè)計時間[1-2]。

發(fā)動機安裝架車前梁在不同的工作狀態(tài)下的受力狀況是不同的，在安裝發(fā)動機的過程中由于發(fā)動機在不同的時刻所處的位置不同受力狀態(tài)也是不同的。當(dāng)發(fā)動機位于發(fā)動機安裝車的前端時發(fā)動機安裝架車的前梁受力最大，安裝過程中需要調(diào)節(jié)發(fā)動機的左右位置時，發(fā)動機安裝車的前梁所受的受力點位置會發(fā)生變化;當(dāng)發(fā)動機位于發(fā)動機安裝架車后端時發(fā)動機安裝架車的前梁受力最小。綜上所述由于發(fā)動機的重量為3000kg，將前梁的受力情況等效為兩點分別受力1500kg的簡支梁模型[3]，如圖1所示，F(xiàn)1=F=15000N，a=400mm，L=1200mm。通過CATIA的三維建模功能建立發(fā)動機安裝架車前梁的參數(shù)化模型如圖3所示;

2 靜力學(xué)分析

2.1 靜力學(xué)有限元分析設(shè)計思路

在常見的CAE分析中一般需要先對分析對象進行三維建模，然后對模型進行處理之后，導(dǎo)入專用的分析軟件進行CAE分析。得益于CATIA軟件中的CAD/CAE一體化的設(shè)計理念，對分析對象進行三維建模后，將材料屬性賦予后，即可轉(zhuǎn)入Generative Structural Analysis模塊進行有限元分析。

2.2 CATIA靜力學(xué)有限元分析

（1）將前梁三維模型導(dǎo)入Generative Structural Analysis模塊，將材料屬性賦予前梁三維模型，前梁結(jié)構(gòu)采用8mm的方形冷彎空心型鋼180×180，查表可得壁厚8mm的方形冷彎空心型鋼180×180的抗彎截面系數(shù)為WY=283×103mm3，選用Q235材料，其許用應(yīng)力[σb]=156MPa，然后進行網(wǎng)格劃分、約束關(guān)系、連接關(guān)系、連接特性、施加載荷設(shè)置。

（2）進入Analysis&Simulation>Generative Structural Analysis模塊中求解，求解后發(fā)動機前梁Von Mises彩色應(yīng)力云圖如圖6所示，由圖6可以看出危險區(qū)域的最大應(yīng)力值為σb=101MPa，材料許用應(yīng)力[σb]=156MPa，安全系數(shù) ，不滿足安全系數(shù)設(shè)計強度系數(shù)為3的要求[4-5]。由圖7可以看出，此時發(fā)動機安裝架車前梁最大的合成位移為0.284mm，滿足剛度要求。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

由上述分析結(jié)果可知，發(fā)動機安裝架車前梁受力部位存在應(yīng)力集中區(qū)，不能滿足強度要求，存在安全隱患。分析原因是由于發(fā)動機安裝架車前梁與上托架的接觸位置是采用兩個滾輪進行連接的，滾動摩擦雖然有利于減小摩擦系數(shù)，但是滾輪與發(fā)動機安裝架車的前梁之間的接觸面積很小，這導(dǎo)致相同的力作用在前梁上會產(chǎn)生很大的壓強，這也是發(fā)動機安裝架車前梁產(chǎn)生應(yīng)力集中的重要原因。為解決應(yīng)力集中問題，本文采用滑塊結(jié)構(gòu)代替滾輪連接的方法，在不增加設(shè)備總體重量的前提下，增大發(fā)動機安裝架車上托架與前梁的接觸面積。本文擬采用100mm×100mm的滑塊代替滾輪連接機構(gòu)。

（1）將優(yōu)化設(shè)計過的前梁三維模型導(dǎo)入Generative Structural Analysis模塊，將材料屬性賦予前梁的三維模型，前梁結(jié)構(gòu)采用8mm的方形冷彎空心型鋼180×180，查表可得壁厚8mm的方形冷彎空心型鋼180×180的抗彎截面系數(shù)為WY=283×103mm3，選用Q235材料，其許用應(yīng)力[σb]=156MPa，然后進行網(wǎng)格劃分、約束關(guān)系、連接關(guān)系、連接特性、施加載荷設(shè)置。

（2）進入Analysis&Simulation>Generative Structural Analysis模塊中求解，求解后發(fā)動機前梁Von Mises彩色應(yīng)力云圖如圖8所示，由圖8可以看出危險區(qū)域的最大應(yīng)力值為為σb=43.4MPa，材料許用應(yīng)力[σb]=156MPa，安全系數(shù) ，滿足安全系數(shù)設(shè)計強度系數(shù)為3的要求。由圖9可知，此時發(fā)動機安裝架車前梁最大的合成位移為0.271mm，滿足剛度要求。

4 結(jié)束語

本文運用CATIA軟件對某型發(fā)動機安裝架車前梁進行實體建模，進行網(wǎng)格劃分，材料選擇以及載荷的確定，通過計算機運算求解，在計算機上直接顯示前梁在載荷的作用下的彩色應(yīng)力圖譜，并顯示應(yīng)力值，然后修改超過應(yīng)力值要求處的形狀增強該部位的強度和剛度，降低應(yīng)力集中區(qū)或者疏導(dǎo)應(yīng)力集中部位。在此基礎(chǔ)上設(shè)計出符合工作要求的發(fā)動機安裝架車的前梁結(jié)構(gòu)形狀，使前梁設(shè)計在滿足使用要求的前提下更加的人性化[6-7]。

探索了航空維修專用工裝設(shè)備關(guān)鍵部位進行CAE（Computer Aided Engineering，計算機輔助工程）有限元分析的方法，為工裝設(shè)備結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化提供了一種思路，CATIA作為一種集成化的軟件系統(tǒng)，將機械設(shè)計、工程仿真分析、數(shù)控加工等模塊有機的結(jié)合起來，有利于縮短設(shè)計周期、提高產(chǎn)品競爭力，降低設(shè)計成本[8]。

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作者簡介：

張茂杉（1990—），男，安徽人，蕪湖航翼集成設(shè)備有限公司，碩士，助理工程師?，F(xiàn)主要從事航空地面保障裝備設(shè)計制造相關(guān)工作。

齊慧英（1992—），女，河南人，蕪湖天航裝備技術(shù)有限公司，研究生，助理工程師?，F(xiàn)主要從事發(fā)射裝置研究相關(guān)工作。