有限元中模拟铰接耳片的一种方法

解放

(沈阳飞机设计研究所,辽宁沈阳 110035)

有限元中模拟铰接耳片的一种方法

解放

(沈阳飞机设计研究所,辽宁沈阳 110035)

本文提出了在有限元中模拟铰接耳片的一种方法。利用不共用节点的两个三角板单元模拟耳片,在相同位置设有两个独立节点,采用MPC将两个节点连接,利用位移协调条件协调两个节点在耳片平面内的平动位移,释放两个单元在该位置的转动自由度及垂直耳片平面的自由度,从而使三角板单元只传递平行于耳片的剪力,而不再传递其它方向的力和力矩,更为准确地反映实际结构的传力特点。

有限元 铰接 耳片

1 背景

铰接耳片是飞机上最常用的连接方式,被大量用于机身与机翼对接,舵面与翼盒对接等重要连接部位,而在有限元计算中准确的模拟铰接耳片不仅能够真实的反映飞机局部连接构件的承载能力,更有利于分析飞机的整体传力路线。在工程上,铰接接头在传力时,只传递平行于耳片的剪力,常用的直接采用共用节点连接的三角形壳单元的模拟方式,不但传递了三个方向的力,同时也传递了三个方向的力矩。因此常规的简化方式不符合接头的实际传力方式,这在大型有限元分析尤其是全机有限元分析中,不能够正确地模拟实际结构的传力特点,从而不能为连接结构的强度校核提供较准确的载荷。

本文利用不共用节点的两个三角板单元模拟耳片,在相同位置设有两个独立节点,采用MPC将两个节点连接,利用位移协调条件协调两个节点在耳片平面内的平动位移,释放两个单元在该位置的转动自由度及垂直耳片平面的自由度,提出这种模拟耳片铰接的方法,能够只传递平行于耳片的剪力,而不再传递其它方向的力和力矩,使铰支传力与工程实际更加相符。

2 常规模拟铰接接头的方法

对于铰接接头,在常规的有限元模型简化时,一般将接头耳片简化为三角形壳单元,耳片连接采用共用节点的方式。

算例：计算某型飞机,在某设计状态下,铰接接头的传力情况,节点131364为耳片连接采用共用节点,见图1。

图1 常规模拟铰接接头的数值计算结果

图2 新方法模拟铰接接头的数值计算结果

从图1中可以看出,直接采用共用节点连接的三角形壳单元不但传递了三个方向的力,同时也传递了三个方向的力矩。而在工程上,铰接接头在传力时,只传递平行于耳片的剪力。因此,常规的简化方式不符合接头的实际传力方式。

这是因为,壳单元具有膜、弯曲、横向剪切及耦合刚度,可以传递任意形式的力和力矩。在以往的分析中,由于两个单元只有一个共用节点,只考虑了该节点对力的传递,并没有注意到由于单元特性而引起的力矩的传递。因此,这种模型简化方法对于铰接接头的传力来说是不合理的。

3 一种模拟铰接的新方法

常规模型简化方法存在不合理性的根本原因是单元之间的连接关系模拟不当导致传力特点发生了变化。解决这个问题的关键所在,也就是根据结构的传力特点,选用正确的方法对单元进行连接,从而得到更为合理的传力分析结果。

通过对现有有限元软件中各种类型单元的比较与分析,提出了最为有效的方法是,使模拟耳片的两个三角板单元不共用节点直接连接,而是在相同位置有两个独立节点,采用MPC将两个节点连接,利用位移协调条件约束,即只协调两个节点在耳片平面内的平动位移,从而将两个单元在该位置的转动自由度及垂直耳片平面的自由度释放掉,这样就保证了耳片传力的正确性。

值得注意的是,由于铰接接头只传递平行于耳片的力,因此,应针对耳片在其面内建立局部坐标系,同时修改节点属性,选用耳片的局部坐标系,再根据局部坐标系,设定位移协调方向。

保证原有算例的初始条件不变,只修改铰接接头的模拟方式,得到以下数值计算结果,节点131369为耳片连接采用共用节点(见图2)。

由图2可以看出,采用适当的MPC连接,两个三角形单元间只传递耳片平面内的力,而不再传递其它力和力矩,这就符合了实际耳片的传力方式。可见,通过这种连接方式,很好地解决了耳片传力的有限元模型简化问题。

4 结语

(1)通过数值计算结果的对比,说明以往有限元模型中接头的简化方式是完全传力结构,也就是说,既传递三个方向的力,也传递了三个方向的位移,不符合铰接耳片的传力特点,而按新方法模拟耳片的连接,只传递平行于耳片的剪力,这与工程实际相符。在以后的有限元分析工作中,对于此类连接结构,采用这种模型简化方法,能够更为准确地反映实际结构的传力特点,从而得到更为合理的计算结果。

(2)本文的方法是在飞机的全机有限元建模分析过程中发现的问题并提出的解决方案,有着很实际的工程意义：铰接耳片的有限元简化方法,很好地解决了常规方法导致的接头传递实际并不存在的载荷的问题,这在大规模有限元分析尤其是全机有限元分析中,能够正确地模拟实际结构的传力特点,从而可以为连接结构的强度校核提供更为准确的载荷,使强度分析工作有更高的可靠性。

[1]Patran 2006与Nastran 2007有限元分析实例指导教程 机械工业出版社,2008年.