飞机装配型架刚度校核的线框化方法

邓忠林+刘建业

摘 要：飞机型架设计中的刚度校核是其关键环节，正确的简化方法能够提高刚度校核的准确性并降低因边界条件处理不当造成的有限元分析误差。本文提出一种型架骨架线框化的简化方法，更准确的实现型架的简化，并讨论了其有限元的计算方法。

关键词：飞机型架；刚度；线框化；简化

中图分类号：V262.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）09-0087-01

飞机装配型架是指在飞机装配过程中所使用的具有定位功能的适合飞机结构和生产特点的工艺装备。飞机钣金零件尺寸大而刚度小，必须依靠型架来保证其准确度与互换性，因此型架需要有足够的刚度且又不笨重。本文从结构简化、载荷简化、边界条件三个方面，介绍了一种型架骨架线框化的型架模型简化方法，并对之后的有限元处理部分进行了分析。

1 装配型架的简化处理

为方便参数化和刚度分析，首先需对型架进行简化处理。骨架是型架的基体，用于夹紧件、定位件等其他元件的固定和支撑，保证各元件的空间位置的准确性与稳定性。因此在进行型架刚度校核时，将骨架作为有限元分析的主体，其他部分将作为力系和约束作用在骨架上。

1.1 骨架結构简化

飞机装配型架的骨架通常由底座、立柱、支臂、梁等标准化原件组成，其中梁的变形量占总体变形量的大部分，因此刚度校核主要针对的是梁的变形。此类结构长度尺寸比两个截面方向的尺寸大的多，符合有限元分析中杆件的概念。而型架的主体骨架则可视为由若干个杆件在有限个点上连接而成的杆件结构。因此可以进行如下简化：

（1）结构中单个独立的元素单元都可视为梁单元或杆单元。区别单元是否承受弯矩与是否具有转交自由度θi，若单元考虑受弯状况则视其为梁单元，由于梁单元的长度尺寸比两个截面方向尺寸大的多，可以忽略剪切形变的影响。

（2）各个梁单元的结合处我们可根据不同的情况将其视为两种形式的节点。如果该结合处连接的两个梁单元不会发生相对运动，在该节点处可以进行弯矩传递。如果该结合处连接的两个梁单元只会发生相对转动，而不会发生相对移动，在该节点处不能进行弯矩传递。

（3）梁单元的位置可由原结构的形心轴线位置确定，结点位置位于梁单元截面形心处，梁单元长度由结点之间距离确定。

（4）在进行型架刚度分析时，主要形变结构为骨架的上下横梁，骨架立柱上的支座起稳定和提高立柱刚度作用，且当其布置位置高于下横梁位置时才会起明显提高刚度作用，因此在简化立柱支座小于下横梁位置的情况时，可以忽略立柱支座。

1.2 作用载荷简化

在型架刚度分析中需要考虑的载荷分基体载荷和后加载荷两种，其中：

（1）基体载荷即型架梁或框架的自重，若有元件焊接于框架上也应将其考虑进基体载荷内而不是后加载荷内。

（2）后加载荷即在梁上定位点的安装过程中逐步加与其上或最后加与其上的载荷可以分为以下几种：1）产品的重量。产品的重量可其具体作用在梁单元上的方式按集中载荷简化，若是产品由卡板装夹，可将产品重量平均分配到上下梁卡板支点处，若出于保守考虑也可将其只分配于单个梁单元上。2）卡板及叉子重量。叉子固定于横梁起连接卡板作用，可将叉子与卡板视为整体考虑，当其数量少且间距大时可将其按集中载荷简化，平均分配到上下梁支点上。当布置紧密，数量多且间距小时，可以将其按均布载荷简化。实际情况中卡板往往不会安装在梁单元的轴线上，但安装位置往往与轴线距离不远且单个卡板重量偏小，所以我们可以忽略由偏心产生的扭转力矩。3）接头定位件重量。接头定位件重量可按集中载荷简化，作用位置根据具体情况确定。4）操作工人重量。可按人均体重70kg简化为集中载荷，按最严重的情况作用在具体的位置上。

1.3 边界条件的简化

分析模型的边界点一般可以很直观的根据实际结构的边界情况确定，多数型架底座是通过地脚螺钉固定于专用的基础上的，可以将其简化为固定支座，这种情况底座不会发生转动或移动。

2 型架的有限元计算方法

在线框化简化模型之后，某些简单典型型架可按材料力学方法，按公式进行计算。但某些结构复杂的空间型架如用于机身后段的六边形空间型架，无法按照材料力学简化，则需要用有限元的方法验证其刚度，进行有限元分析时，将载荷点、连接点与边界点视为有限元的结点，将简化的梁和杆视为单元，将简化载荷按照静力等效原理，等效的将其分配到对应作用的结点上去。在单元与结点划分成功后，找出节点位移与单元体内任意一点的位移关系式，即找出位移函数，并根据位移关系式按照几何与物理关系得到任意目标单元内位移与应力应变之间的关系式。后根据虚位移原理：在外力作用下的弹性体，当发生约束所允许的任意微小虚位移时，外力在虚位移上所做的功等于弹性体内虚应力在虚位移上所做的功。由此便能得到单元体内结点力与位移的关系式，刚度方程：

3 结语

本文提出的型架线框化简化方法明确了在不同条件下的型架结构、载荷、边界的处理方法，并对简化后的有限元分析刚度部分进行了讨论，但在工程中载荷的加载条件和模式差异很大，应根据具体情况考虑简化，在进行有限元分析时可利用上述方法使用工程分析（CAE）软件进行运算处理，以此来降低计算的困难程度并提高结果输出的准确性。

参考文献

[1]何文治.航空制造工程手册：飞机工艺装配[M].北京：航空工业出版社，1994.12.

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