氣密盒強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討

戴方適 李曄 李家旭

摘 要 本文基于Patran & MSC Nastran分析軟件對機(jī)身氣密盒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合型材自身強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)總體失穩(wěn)及系統(tǒng)固有振動特征模態(tài)分析等多角度運算結(jié)果進(jìn)行剖析，從而得出較為良好和全面的優(yōu)化設(shè)計方案及加強(qiáng)方式。

關(guān)鍵詞 氣密盒;優(yōu)化;模態(tài)分析;失穩(wěn)

概述

在機(jī)身靜強(qiáng)度設(shè)計中，對機(jī)身氣密盒結(jié)構(gòu)校核基本上只進(jìn)行氣密盒自身強(qiáng)度校核、局部強(qiáng)度和氣密盒與機(jī)身連接部位校核，但在事實上，機(jī)身氣密盒需要適應(yīng)多種環(huán)境，比如在振動環(huán)境選，由于振動的疲倦效應(yīng)及共振現(xiàn)象，可能呈現(xiàn)連接零部件失效，疲勞損傷以至于損壞的現(xiàn)象。

針對用戶對氣密盒愈加關(guān)注的情況，在校核氣密盒自身強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析、并增加模態(tài)分析，對其固有特性在限定環(huán)境中進(jìn)行評價，最后依據(jù)三方面的分析結(jié)果進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計。

1強(qiáng)度分析方法

1.1 有限元方法

有限元法即使用力學(xué)模型進(jìn)行近似的數(shù)值計算，使用合理的節(jié)點分布和模擬單元來迫近原來部件的幾何外形，是一種應(yīng)用位能變分和分割近似原理求解線性彈性力的數(shù)值方法。

本文使用 Patran & MSC Nastran有限元分析軟件，對氣密盒結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，氣密盒強(qiáng)度分析步驟如下：①自身強(qiáng)度及其連接強(qiáng)度;②穩(wěn)定性校核;③模態(tài)分析。

2分析方向

2.1 型材自身強(qiáng)度

機(jī)載設(shè)備在工作中都要承擔(dān)載荷，為保證設(shè)備正常工作，要求零部件必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度等。

工程上常用抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度指標(biāo)表征金屬材料的抵抗變形與斷裂的能力，以梁元為例，有限元輸出結(jié)果為梁元應(yīng)力，與型材材料的σ0.2和σb進(jìn)行比較，以得出是否滿足強(qiáng)度要求的結(jié)論。

靜強(qiáng)度計算使用Patran & MSC Nastran有限元分析軟件中的線性靜態(tài)分析求解（SOL101）。

2.2 型材失穩(wěn)

本文優(yōu)化設(shè)計使用Patran & MSC Nastran有限元分析軟件中的屈曲分析求解器（SOL105），對氣密盒結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性屈曲分析，根據(jù)解算結(jié)果的屈曲臨界安全因數(shù)對型材穩(wěn)定性進(jìn)行評估和優(yōu)化。

2.3 模態(tài)分析

使用有限元模擬分析所得的模態(tài)參數(shù)參與進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可更有效的避免氣密盒在使用過程中因其固有頻率與機(jī)體周期性載荷的作用頻率產(chǎn)生共振破壞的可能性。

氣密盒的固有頻率應(yīng)當(dāng)盡可能避開機(jī)身共振能量集中的頻率區(qū)。

本文模態(tài)分析部分使用Patran & MSC Nastran有限元分析軟件中的固有值分析求解器（SOL103）。

3氣密盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

3.1 氣密盒自身及其連接強(qiáng)度校核

某型機(jī)機(jī)身左側(cè)開設(shè)了一個242×226 mm開口，并在開口處安裝氣密盒，氣密盒高度180mm，氣密盒由型材、口框和板材鉚接而成，本文用某型機(jī)機(jī)身中段有限元模型，將氣密盒簡化為板元和梁元，對氣密盒周邊的壁板進(jìn)行局部細(xì)化，在簡化模型上施加兩倍氣密載荷進(jìn)行解算，得到的結(jié)果進(jìn)行氣密盒自身強(qiáng)度及連接強(qiáng)度校核，具體校核結(jié)果不再贅述。

3.2 氣密盒穩(wěn)定性校核

使用Patran & MSC Nastran有限元分析軟件中的屈曲分析求解器（SOL105），對結(jié)構(gòu)的總體穩(wěn)定性進(jìn)行線性屈曲分析，由于在屈曲計算中對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起主導(dǎo)作用的僅是低階結(jié)果，本文件用單獨的氣密盒模型在兩倍氣密載荷情況下，根據(jù)氣密盒結(jié)構(gòu)形式及連接情況，取氣密盒與機(jī)身連接點進(jìn)行X、Y、Z三個方向的線位移約束，計算屈曲前四階結(jié)果。根據(jù)有限元計算結(jié)果，氣密盒前四階屈曲因子分別為： 4.60、5.23、7.57和7.93。氣密盒前四階屈曲因子絕對值均大于1，氣密盒不會失穩(wěn)。

3.3 氣密盒模態(tài)分析

使用Patran & MSC Nastran有限元分析軟件中的固有值分析求解器（SOL103）對氣密盒有限元模型進(jìn)行振動模態(tài)模擬計算。

機(jī)體周期性載荷的作用頻率為發(fā)動機(jī)螺旋槳旋轉(zhuǎn)頻率和螺旋槳槳葉通過頻率，在模態(tài)分析前限定模態(tài)頻率范圍含概作用頻率。

計算結(jié)果表明：氣密盒當(dāng)前結(jié)構(gòu)的第9階和第10階系統(tǒng)固有特征與發(fā)動機(jī)螺旋槳旋轉(zhuǎn)頻率極為接近，氣密盒有發(fā)生共振現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)構(gòu)破壞的風(fēng)險。

3.4 計算結(jié)果分析及模型優(yōu)化

由對氣密盒有限元模型的靜態(tài)解算和屈曲解算結(jié)果可以得出結(jié)論：氣密盒在慣性載荷作用下梁元應(yīng)力較小，型材自身強(qiáng)度足夠，局部穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求;在屈曲解算結(jié)果中可以看到氣密盒的一階整體失穩(wěn)模態(tài)，一階臨界載荷系數(shù)為4.60，氣密盒不會發(fā)生總體失穩(wěn)。

由對氣密盒有限元模型的振動模態(tài)分析結(jié)果可以得出結(jié)論：氣密盒的固有頻率中第9階和第10階與機(jī)體周期性載荷（發(fā)動機(jī)螺旋槳旋轉(zhuǎn)頻率）極為相近，及可能因為產(chǎn)生共振現(xiàn)象而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，應(yīng)當(dāng)對氣密盒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以避開機(jī)身共振能量集中的頻率。

參考靜態(tài)解算和屈曲解算結(jié)果中氣密盒的應(yīng)力集中情況及一階屈曲變形情況，在側(cè)壁增加兩根XC111-7的型材，氣密盒壁厚改成2.1 mm。

3.5 優(yōu)化后的計算情況

因初步計算中靜態(tài)解算和屈曲解算結(jié)果均滿足設(shè)計要求，所以僅對加強(qiáng)優(yōu)化后的氣密盒有限元模型進(jìn)行振動模態(tài)分析，之后第9階和第10階系統(tǒng)固有特征得到改善，優(yōu)化后的氣密盒固有頻率有效避開機(jī)身共振能量集中的頻率，從而規(guī)避了因產(chǎn)生共振現(xiàn)象而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險，結(jié)構(gòu)設(shè)計得到了明顯優(yōu)化和改善。

4結(jié)束語

本文使用Patran & MSC Nastran分析軟件，對氣密盒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得出以下結(jié)論：

（1）應(yīng)用Patran & MSC Nastran分析軟件得到一種氣密盒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案，規(guī)避氣密盒在使用過程中發(fā)生型材屈曲失效和振動失效的風(fēng)險;

（2）對于同種材料的氣密盒有無立筋（型材）的模態(tài)分析對比表明，氣密盒應(yīng)力集中位置立筋（型材）剛度對氣密盒的可靠性影響較大，應(yīng)在氣密盒的設(shè)計中予以充分考慮;

（3）在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的靜態(tài)失效和動態(tài)失效，用系統(tǒng)固有特征模態(tài)分析所得的模態(tài)參數(shù)對有限元模型進(jìn)行修正，使其能更好地符合實際情況，從而提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計效率。

（4）Patran & MSC Nastran等有限元軟件分析方法可以為非關(guān)重件項目優(yōu)化設(shè)計提供較大協(xié)助，使用有限元軟件是一種較好的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法。