基于飞机结构整体优化和细节分析

杨克宏

摘要：近年来，随着社会经济发展水平的不断提高，我国飞机制造事业也得到了明显的发展和进步，同时对飞机结构设计也提出了更多、更高的要求。而且飞机结构不仅涉及多种部件，而且结构设计和连接方式也非常复杂，我们运用传统的计算方法已经无法符合当前计算的基本要求，需要从飞机的整体结构和细节等各方面的应力分布进行考虑，尽可能的提升飞机的整体承载能力，实现我国飞机制造事业更好的发展。基于此，本文通过对常用分析方法进行探究，并相应的分析飞机的基本结构和优化细节。

关键词：飞机结构；整体优化；细节

引言：飞机作为我国航空运输事业的重要工具，其制造和发展受到了社会的广泛关注和高度重视。近年来，我们不断加强飞机结构和优化细节的研究，运用有限元法、ANSYS分析软件等科学的方法，力求提升飞机的整体性能。通过优化设计不仅可以改善飞机的整体结构，调整飞机应力分布状况，实现材料的合理布置，而且还能在提升材料利用率的同时，加强飞机的整体优化质量。

一、常用分析方法

（一）有限元法

有限元法主要就是一种运用计算机技术进行数值近似的方法，其可以通过对有限数目单元进行离散来近似连续问题，是分析和判断较为复杂性问题和结构的一种有效工具。当前，在飞机制造领域也广泛的应用到有限元法，并且能够得出有关动力学方面的满意结果。具体来讲，有限元法就是遵循力学所具有的虚功原理，通过变分法将飞机整体结构的物理方程、平衡方程以及几何方程等成功的建立在离散化结构的各个单元之上，这样就可以顺利获取每一个单元的位移、应力和应变结果，从而进一步了解飞机内部结构的应变和应力状况。

（二）ANSYS分析软件

ANSYS软件主要就是声场、结构、电磁场、融流体以及热场等集于一体的有限元分析法，属于一种较为大型的分析软件，且具有较强的通用性，目前被广泛的应用到仪器仪表、电子、原子能、热工、地质以及生物医学等多种工程的研究中去。其主要具有以下特点：（1）建模能力强。其依托自身就可以构建较为繁琐的几何模型。（2）求解能力强。ANSYS软件具有很多求解器，通常包括特征求解器、并行求解器、迭代求解器等。（3）网络划分具有智能性。ANSYS软件可以结合几个模型的基本特点自主产生有限元网格，并且可以方便用户进行自定义，有利于适应网格的各种需求目。（4）优化能力较强。ANSYS软件具有加强的优化设计优势，能够为飞机结构设计提供最佳方案。同时还可以优化模型的外观，实现材料的充分运用。

二、飞机结构分析

（一）机身

机身作为飞机结构的主体，一般包括大梁、蒙皮、桁条以及隔框等部分，是用来承载物资和人员的，通常具有较大的使用空间，充分利用单位体积空间，可以提升机身的整体承载数量。但是，在这一结构设计中应该保证连接的可靠性和安全性，安装隔音设备和通风设备，确保机身拥有广泛的视野，这样才能方便飞机进行起落。

（二）机翼

機翼主要就是为飞机提供升力的部分，有利于飞机滚轮的操纵，一般包括翼根、翼尖、前缘以及后缘等四个部分，不仅可以保证飞机具有较强的操纵性和稳定性，而且还有利于油箱、发动机以及起落架等设备的安装和应用。

（三）尾翼

尾翼主要就是指飞机的尾部，通常是垂直尾翼和水平尾翼二者的统称。其中垂直尾翼主要包括垂直安定面和方向舵两个部分，让飞机能够在偏航操作中保持一定的静稳定性；水平尾翼主要包括水平安定面和升降舵两个部分，让飞机能够在仰俯操作中保持一定的静稳定性。

（四）起落架

起落架主要就是指飞机在地面进行起飞、着陆、滑行以及停放时所要用到的重力荷载和支撑装置。一般包括后三点式、自行车式以及前三点式等三种布置形式。不仅可以承受飞机起飞、着陆以及停放时产生的重力，而且还能够吸收和消耗掉飞机在着陆过程中产生的撞击能量。

三、飞机机翼结构的整体优化和细节分析

（一）机翼整体优化

（1）机翼有限元模型。飞机机翼主要是由外部蒙皮、展向构件以及弦向构件等部分组成，如图1所示是机翼结构的有限元模型。其中腹板取CTR_13单元、蒙皮取CQUAD；肋凸缘长桁取ROD单元；支座和接头等需要取BAR单元；前梁、前墙、主梁以及后梁等重要传力构件的缘条需要取BEAM单元。

（2）模型加载。在飞机结构优化设计中，对机翼结构进行加载一般都是通过多点排的方法。主要思路为：在离气动点较近的部分多安排一些有限元节点，而离气动点较远的部分则是少安排一些有限元节点。如果气动点和有限元节点二者之间存在一条梁，其主要是将气动点一端当做是悬梁臂，并且较为固定，而自由端的有限元节点在荷载Pj时产生的变形能则为，其中Lj和EI分别表示为虚设梁的长度和刚度。将上式带入到变形公式中可以得出，其中n表示为有限节点数。

（二）细节分析

（1）机翼结构的对接接头。在对机翼结构进行整体优化的过程中，我们能够得到后主梁根部位置的弯矩，将弯矩加到机翼结构的有限元模型上，能够对机翼与机身二者之间对接接头进行细节分析，一般包括弹塑性和接触性分析两种。为了进一步提升细节分析的精确性，可以运用CAD软件进行对接接头的实体建模，然后在HyperMesh前处理软件中构建六面体网络，最后在Marc分析软件中对接触表、材料以及边界条件等进行定义，并且实行仿真分析。

（2）主梁和蒙皮连接区。对优化的主梁和蒙皮连接区采取网格重建的方法，构建有限元模型，如图3所示。其中主梁筋条和肋、缘条和蒙皮主要以三个方向进行弹簧式的螺栓连接，弹簧刚度主要由螺栓材料和尺寸等来进行确定。

（3）位移在机身和主梁二者之间的接头处。在飞机整体结构中，主梁接头的下耳片和上耳片各设置两个节点来确保三个方向的自由度，而在垂直耳片上设置两个节点来确保其中两个垂直方向的自由度。此外，模型荷载通常分为两个部分，一方面来自于飞机机翼结构模型中主梁和蒙皮连接区的荷载，另一方面来自于飞机机翼结构模型中各有限元节点产生的荷载。

结论：总而言之，随着时代的不断发展和进步，航空运输事业发展步伐越来越快，为了进一步提升飞机的整体性能，我们需要充分了解飞机的整体结构，通过先进的有限元模型和ANSYS分析软件来进行计算，明确优化设计的细节和方案，从整体和局部等各个方面来调整飞机结构，最大限度的提升材料利用效率，增强飞机的整体承载能力，推动我国航空运输事业的健康可持续发展。