气密盒强度分析和结构优化探讨

戴方适 李晔 李家旭

摘 要 本文基于Patran & MSC Nastran分析软件对机身气密盒结构进行优化设计，结合型材自身强度、结构总体失稳及系统固有振动特征模态分析等多角度运算结果进行剖析，从而得出较为良好和全面的优化设计方案及加强方式。

关键词 气密盒;优化;模态分析;失稳

概述

在机身静强度设计中，对机身气密盒结构校核基本上只进行气密盒自身强度校核、局部强度和气密盒与机身连接部位校核，但在事实上，机身气密盒需要适应多种环境，比如在振动环境选，由于振动的疲倦效应及共振现象，可能呈现连接零部件失效，疲劳损伤以至于损坏的现象。

针对用户对气密盒愈加关注的情况，在校核气密盒自身强度、结构稳定性分析、并增加模态分析，对其固有特性在限定环境中进行评价，最后依据三方面的分析结果进行综合优化设计。

1强度分析方法

1.1 有限元方法

有限元法即使用力学模型进行近似的数值计算，使用合理的节点分布和模拟单元来迫近原来部件的几何外形，是一种应用位能变分和分割近似原理求解线性弹性力的数值方法。

本文使用 Patran & MSC Nastran有限元分析软件，对气密盒结构进行强度分析，气密盒强度分析步骤如下：①自身强度及其连接强度;②稳定性校核;③模态分析。

2分析方向

2.1 型材自身强度

机载设备在工作中都要承担载荷，为保证设备正常工作，要求零部件必须具有足够的强度、刚度等。

工程上常用抗拉强度和屈服强度指标表征金属材料的抵抗变形与断裂的能力，以梁元为例，有限元输出结果为梁元应力，与型材材料的σ0.2和σb进行比较，以得出是否满足强度要求的结论。

静强度计算使用Patran & MSC Nastran有限元分析软件中的线性静态分析求解（SOL101）。

2.2 型材失稳

本文优化设计使用Patran & MSC Nastran有限元分析软件中的屈曲分析求解器（SOL105），对气密盒结构进行线性屈曲分析，根据解算结果的屈曲临界安全因数对型材稳定性进行评估和优化。

2.3 模态分析

使用有限元模拟分析所得的模态参数参与进行优化设计，可更有效的避免气密盒在使用过程中因其固有频率与机体周期性载荷的作用频率产生共振破坏的可能性。

气密盒的固有频率应当尽可能避开机身共振能量集中的频率区。

本文模态分析部分使用Patran & MSC Nastran有限元分析软件中的固有值分析求解器（SOL103）。

3气密盒结构优化设计

3.1 气密盒自身及其连接强度校核

某型机机身左侧开设了一个242×226 mm开口，并在开口处安装气密盒，气密盒高度180mm，气密盒由型材、口框和板材铆接而成，本文用某型机机身中段有限元模型，将气密盒简化为板元和梁元，对气密盒周边的壁板进行局部细化，在简化模型上施加两倍气密载荷进行解算，得到的结果进行气密盒自身强度及连接强度校核，具体校核结果不再赘述。

3.2 气密盒稳定性校核

使用Patran & MSC Nastran有限元分析软件中的屈曲分析求解器（SOL105），对结构的总体稳定性进行线性屈曲分析，由于在屈曲计算中对结构稳定性起主导作用的仅是低阶结果，本文件用单独的气密盒模型在两倍气密载荷情况下，根据气密盒结构形式及连接情况，取气密盒与机身连接点进行X、Y、Z三个方向的线位移约束，计算屈曲前四阶结果。根据有限元计算结果，气密盒前四阶屈曲因子分别为： 4.60、5.23、7.57和7.93。气密盒前四阶屈曲因子绝对值均大于1，气密盒不会失稳。

3.3 气密盒模态分析

使用Patran & MSC Nastran有限元分析软件中的固有值分析求解器（SOL103）对气密盒有限元模型进行振动模态模拟计算。

机体周期性载荷的作用频率为发动机螺旋桨旋转频率和螺旋桨桨叶通过频率，在模态分析前限定模态频率范围含概作用频率。

计算结果表明：气密盒当前结构的第9阶和第10阶系统固有特征与发动机螺旋桨旋转频率极为接近，气密盒有发生共振现象产生机构破坏的风险。

3.4 计算结果分析及模型优化

由对气密盒有限元模型的静态解算和屈曲解算结果可以得出结论：气密盒在惯性载荷作用下梁元应力较小，型材自身强度足够，局部稳定性满足设计要求;在屈曲解算结果中可以看到气密盒的一阶整体失稳模态，一阶临界载荷系数为4.60，气密盒不会发生总体失稳。

由对气密盒有限元模型的振动模态分析结果可以得出结论：气密盒的固有频率中第9阶和第10阶与机体周期性载荷（发动机螺旋桨旋转频率）极为相近，及可能因为产生共振现象而导致结构破坏，应当对气密盒的结构进行优化以避开机身共振能量集中的频率。

参考静态解算和屈曲解算结果中气密盒的应力集中情况及一阶屈曲变形情况，在侧壁增加两根XC111-7的型材，气密盒壁厚改成2.1 mm。

3.5 优化后的计算情况

因初步计算中静态解算和屈曲解算结果均满足设计要求，所以仅对加强优化后的气密盒有限元模型进行振动模态分析，之后第9阶和第10阶系统固有特征得到改善，优化后的氣密盒固有频率有效避开机身共振能量集中的频率，从而规避了因产生共振现象而导致结构破坏的风险，结构设计得到了明显优化和改善。

4结束语

本文使用Patran & MSC Nastran分析软件，对气密盒结构进行优化设计，得出以下结论：

（1）应用Patran & MSC Nastran分析软件得到一种气密盒的结构优化设计方案，规避气密盒在使用过程中发生型材屈曲失效和振动失效的风险;

（2）对于同种材料的气密盒有无立筋（型材）的模态分析对比表明，气密盒应力集中位置立筋（型材）刚度对气密盒的可靠性影响较大，应在气密盒的设计中予以充分考虑;

（3）在结构设计中应综合考虑结构的静态失效和动态失效，用系统固有特征模态分析所得的模态参数对有限元模型进行修正，使其能更好地符合实际情况，从而提高结构优化设计效率。

（4）Patran & MSC Nastran等有限元软件分析方法可以为非关重件项目优化设计提供较大协助，使用有限元软件是一种较好的结构优化设计方法。