接頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jī)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(kuò)散到主傳力結(jié)構(gòu)上。在針對接頭結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，形成了一系列工程計(jì)算方法、解析計(jì)算方法及數(shù)值計(jì)算方法；在型號設(shè)計(jì)中考慮到研制周期及經(jīng)濟(jì)性，往往選擇工程計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)及校核接頭結(jié)構(gòu)，并且在型號設(shè)計(jì)中得到了很好的應(yīng)用[1]。

工程計(jì)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(jì)算及應(yīng)力計(jì)算，根據(jù)強(qiáng)度原則得到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸。工程計(jì)算方法簡單易懂，設(shè)計(jì)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(shí)，存在經(jīng)驗(yàn)問題，由于工程設(shè)計(jì)人員具有經(jīng)驗(yàn)差異，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)很難實(shí)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(jī)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(jì)算模型非常復(fù)雜，容易出現(xiàn)漏算。

隨著數(shù)值計(jì)算發(fā)展，基于有限元的數(shù)值計(jì)算軟件逐漸應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用中，殼元模型也存在精度問題，首先基于數(shù)值計(jì)算方法得到的數(shù)值解與解析解之間本身就存在計(jì)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(jì)，模型計(jì)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(jì)偏保守，結(jié)構(gòu)輕量化程度不高[2-5]。

隨著型號設(shè)計(jì)中對產(chǎn)品的研制周期、經(jīng)濟(jì)性及輕量化等要求的不斷提高，對研發(fā)設(shè)計(jì)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(jì)算需求也愈加迫切，通過高度非線性有限元計(jì)算及設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)仿真模型的計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的同步進(jìn)行；在加快設(shè)計(jì)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(jì)算，規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)及設(shè)計(jì)盲點(diǎn)。

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

1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算模型

針對接頭結(jié)構(gòu)分別建立工程計(jì)算模型、殼單元仿真模型及基于ABAQUS 軟件的實(shí)體單元模型； 工程計(jì)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(jì)算方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)算模型、殼單元仿真模型及實(shí)體單元模型提交計(jì)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(jì)算，分別為接頭結(jié)構(gòu)前、后端面，計(jì)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(jì)算結(jié)果與工程方法計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)體單元仿真模型計(jì)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(shí)體單元模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與工程方法計(jì)算結(jié)果誤差分別為6.5%、4.3%，而殼單元模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與工程方法計(jì)算結(jié)果誤差分別為41%、20.7%，可見應(yīng)用實(shí)體單元的整體有限元模型與工程方法計(jì)算結(jié)果誤差小，通過建立整體有限元模型與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比可知，實(shí)體單元的整體有限元模型與試驗(yàn)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(shí)體單元仿真模型計(jì)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(jì)算的各個螺栓載荷相近，趨于平均；而殼單元仿真模型與實(shí)體單元仿真模型計(jì)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?yàn)楣こ谭椒ㄔ谟?jì)算連接載荷時(shí)，只有在計(jì)算彎矩分載時(shí)會考慮螺栓群剛度問題，而集中力分載時(shí)認(rèn)為各個螺栓剛度相同，因此分得的載荷相同，在實(shí)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(jì)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(shí)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(jì)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(jì)算更精確，在進(jìn)行接頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作時(shí)，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(shí)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(jì)工作，縮短型號研制周期，有效規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)及設(shè)計(jì)盲點(diǎn)，降低產(chǎn)品研發(fā)成本。