认证主体：王**（实名认证）
IP属地：湖北
下载本文档
1、工程结构分析软件应用工程结构分析软件应用飞机设计技术研究所飞机设计技术研究所金海波金海波2航空结构有限元分析的简化方法航空结构有限元分析的简化方法有限元模型建模的基本要求有限元模型建模的基本要求 航空结构受力分析航空结构受力分析 真实结构与模型的离散化真实结构与模型的离散化边界条件边界条件 处理处理载荷模型与节点载荷载荷模型与节点载荷3有限元模型建模的基本要求有限元模型建模的基本要求 4航空组合结构建模的具体要求航空组合结构建模的具体要求5航空结构受力分析航空结构受力分析6翼面结构受力分析翼面结构受力分析7机身结构受力分析机身结构受力分析8起落架结构受力分析起落架结构受力分析9操纵系统结构受力
2、分析操纵系统结构受力分析10飞机局部受力结构飞机局部受力结构11真实结构与模型的离散化真实结构与模型的离散化力学模型的有限元近似力学模型的有限元近似 模型的离散化模型的离散化几何近似、曲线与曲面的逼近几何近似、曲线与曲面的逼近 网格划分网格划分 12力学模型的有限元近似力学模型的有限元近似 飞机组合结构主要是：飞机组合结构主要是：薄壁结构薄壁结构杆系结构杆系结构板壳结构板壳结构钉连结构钉连结构二、三维连续体结构二、三维连续体结构 薄壁结构力学薄壁结构力学杆系结构力学杆系结构力学板壳理论板壳理论连续介质力学连续介质力学 13航空结构有限元模型的重要特点航空结构有限元模型的重要特点 复杂性复杂性
3、既包括自然离散化类型的结构，又包括复既包括自然离散化类型的结构，又包括复杂的二维、三维连续体有限元模型，在杂的二维、三维连续体有限元模型，在细微部分分析时，还需要钉元，含裂纹细微部分分析时，还需要钉元，含裂纹元等特殊元素元等特殊元素 对精度的高要求对精度的高要求 对航空结构有限元模型来说，它对精度的对航空结构有限元模型来说，它对精度的要求要比一般结构有限元模型高得多，要求要比一般结构有限元模型高得多，需要我们更为审慎地考虑建模中的各种需要我们更为审慎地考虑建模中的各种问题问题 14模型的离散化模型的离散化1有限元模型应满足平衡条件有限元模型应满足平衡条件 变形协调条件变形协调条件 满足边界条件
4、（包括整个结构边界条件及满足边界条件（包括整个结构边界条件及元素间的边界条件）和材料的本构关系元素间的边界条件）和材料的本构关系 刚度等价原则刚度等价原则 所取元素能反映结构构件的传力特点所取元素能反映结构构件的传力特点 应根据结构特点、应力分布情况、元素性应根据结构特点、应力分布情况、元素性质、精度要求及计算量大小等仔细划分计质、精度要求及计算量大小等仔细划分计算网格算网格 15模型的离散化模型的离散化2在几何上要尽可能地逼近真实的结构体，在几何上要尽可能地逼近真实的结构体，其中特别要注意曲线与曲面的逼近问题其中特别要注意曲线与曲面的逼近问题仔细处理载荷模型，正确生成节点力，仔细处理载荷模型
5、，正确生成节点力，同时载荷的简化不应跨越主要受力构件同时载荷的简化不应跨越主要受力构件 当量阻尼折算应符合能量等价要求当量阻尼折算应符合能量等价要求 质量的堆聚应满足质量质心、质心矩及质量的堆聚应满足质量质心、质心矩及惯性矩等效要求惯性矩等效要求 16几何近似、曲线与曲面的逼近几何近似、曲线与曲面的逼近1718网格划分网格划分1在划分元素时，就整体来说，元素的大在划分元素时，就整体来说，元素的大小要据工程上的精度要求和所用计算机小要据工程上的精度要求和所用计算机的速度及容量来决定的速度及容量来决定 元素划分时，应据部位的重要性以及应元素划分时，应据部位的重要性以及应力、位移变化剧烈与否来决定，
6、重要部力、位移变化剧烈与否来决定，重要部位以及应力变化剧烈部位，元素应划得位以及应力变化剧烈部位，元素应划得较小，反之则疏较小，反之则疏 元素划分时应尽量利用对称性来减少计元素划分时应尽量利用对称性来减少计算量算量 19网格划分网格划分2若计算对象厚度有突变，除了应将这种部位若计算对象厚度有突变，除了应将这种部位元素取得较小外，还应将突变线作为元素的元素取得较小外，还应将突变线作为元素的分界线分界线 若计算对象受有集度突变的分布载荷，应当若计算对象受有集度突变的分布载荷，应当把这种部位的元素取得小一些，并在载荷突把这种部位的元素取得小一些，并在载荷突变或集中载荷作用之处布置节点，以使应力变或集
7、中载荷作用之处布置节点，以使应力的突变得到一定程度的反映的突变得到一定程度的反映 应尽可能使每个元素角度不能太尖应尽可能使每个元素角度不能太尖 三角形元素三个顶角要尽量保持在三角形元素三个顶角要尽量保持在60附近附近 20边界条件边界条件静力分析时要消除结构的全部刚体位移静力分析时要消除结构的全部刚体位移 分析部分结构时边界条件的引入分析部分结构时边界条件的引入对于几何线性问题，要消除瞬时可变自对于几何线性问题，要消除瞬时可变自由度由度 在结构的零刚度方向直接施加约束在结构的零刚度方向直接施加约束 增加虚元，补充零刚度增加虚元，补充零刚度 指定位移约束的应用指定位移约束的应用对称条件和主从自由
8、度对称条件和主从自由度 21航空结构有限元建模技术航空结构有限元建模技术 有限元节点有限元节点 有限单元有限单元 结构的约束结构的约束 结构载荷的施加结构载荷的施加 22节点编号节点编号假设一个节点的编号用一个假设一个节点的编号用一个6位数的整型数来位数的整型数来表示为表示为LM1M2NK1K2式中：式中：L代表飞机部件号，比如代表飞机部件号，比如L=0和和1表示机表示机身，身，L=2，3，分别表示左右机翼等；，分别表示左右机翼等；M1M2为为一个两位数，表示隔框或翼肋编号；一个两位数，表示隔框或翼肋编号；N为一位为一位数，表示节点在部件剖面中的位置，比如数，表示节点在部件剖面中的位置，比如0
9、4表示在左侧（机身）或上侧（机翼），表示在左侧（机身）或上侧（机翼），5一一9则则表示在右侧或下侧等；表示在右侧或下侧等；K1K2为一个两位数，表为一个两位数，表示通过该点的长桁编号。示通过该点的长桁编号。23这样约定时，当看到这个节点编号即能对这样约定时，当看到这个节点编号即能对它的位置十分清楚而无需再查阅节点坐标它的位置十分清楚而无需再查阅节点坐标或模型图册等其他资料，这就给检查数据或模型图册等其他资料，这就给检查数据和分析结果带来许多方便。和分析结果带来许多方便。在程序输出的计算结果中，通常只给出节在程序输出的计算结果中，通常只给出节点号或元素号。分析结果时用户经常要为点号或元素号。分析
10、结果时用户经常要为确定节点和元素的位置而返回去查阅原始确定节点和元素的位置而返回去查阅原始数据和模型图册等夕造成了许多不便，上数据和模型图册等夕造成了许多不便，上述编号方法从根本上解决了这一困难。当述编号方法从根本上解决了这一困难。当然，我们只是给出了这样一个思路，具体然，我们只是给出了这样一个思路，具体的细则各用户可以自己设计。的细则各用户可以自己设计。24节点约束节点约束 所分析的结构对该点的某自由度可以提所分析的结构对该点的某自由度可以提供刚度，但该自由度的变形受到边界供刚度，但该自由度的变形受到边界（所分析结构以外的其他结构）的约束；（所分析结构以外的其他结构）的约束；所分析的结构根本
11、就不对该点某自由度所分析的结构根本就不对该点某自由度提供刚度（或仅提供十分微小的刚度），提供刚度（或仅提供十分微小的刚度），要求把这个自由度从求解方程中去掉。要求把这个自由度从求解方程中去掉。2526斜约束斜约束 节点受到的约束与坐标系中的任一个轴节点受到的约束与坐标系中的任一个轴都不一致，这时有几种不同的处理方法。都不一致，这时有几种不同的处理方法。多点约束方法多点约束方法定义坐标系方法，当模型中某些点上结定义坐标系方法，当模型中某些点上结构不能提供刚度的方向为斜方向时，也构不能提供刚度的方向为斜方向时，也可按这个方法处理可按这个方法处理 2728节点自动约束节点自动约束 NASTRAN软件
12、对那些结构根本就不提软件对那些结构根本就不提供刚度（或者只提供十分微小刚度）的供刚度（或者只提供十分微小刚度）的自由度通过程序实行自动约束的手段自由度通过程序实行自动约束的手段 AUTOSPC（缺省值（缺省值=NO） EPPRT（缺省值（缺省值=10-8） EPZERO（缺省值（缺省值=10-8） PRGPST（缺省值（缺省值=YES) SPCGEN（缺省值（缺省值= 0)29有限单元有限单元 有限数目的各种不同元素通过节点与其相邻的元有限数目的各种不同元素通过节点与其相邻的元素相连构成一个离散元素的组合体来近似地模素相连构成一个离散元素的组合体来近似地模拟实际的连续体结构。元素本身受力平衡；
13、元拟实际的连续体结构。元素本身受力平衡；元素之间的连接点上位移相同，因而相邻元素在素之间的连接点上位移相同，因而相邻元素在连接点上变形协调；如果元素选择合理，那么连接点上变形协调；如果元素选择合理，那么相邻元素边界上的变形也可能是协调的；使这相邻元素边界上的变形也可能是协调的；使这个离散元素的组合体符合给定的边界条件，求个离散元素的组合体符合给定的边界条件，求解得到的变形和应力就近似地认为是实际工程解得到的变形和应力就近似地认为是实际工程结构中的变形和应力分布。所以元素是有限元结构中的变形和应力分布。所以元素是有限元模型的基础，元素选取得当与否直接影响分析模型的基础，元素选取得当与否直接影响分
14、析结果的精确性和可信度结果的精确性和可信度 30元素类型元素类型 杆元杆元 有等剖面杆、变剖面杆以及可以受扭的杆有等剖面杆、变剖面杆以及可以受扭的杆梁元梁元 有直梁、曲梁、形心与剪心重合的梁、形有直梁、曲梁、形心与剪心重合的梁、形心与剪心不重合的梁、等剖面梁、变剖面梁以心与剪心不重合的梁、等剖面梁、变剖面梁以及各种不同受力边界的梁等及各种不同受力边界的梁等剪力板元剪力板元 仅承受面内剪切的四边形板。仅承受面内剪切的四边形板。四边形板元四边形板元 可以承受正应力、剪应力和弯曲应可以承受正应力、剪应力和弯曲应力的四边形板，有四节点元和八节点元等。力的四边形板，有四节点元和八节点元等。三角形板元三角
15、形板元 可以承受正应力、剪应力和弯曲应可以承受正应力、剪应力和弯曲应力的三角形板，有三节点元和六节点元等。力的三角形板，有三节点元和六节点元等。体元体元 有四面体、五面体和六面体等不同的元素有四面体、五面体和六面体等不同的元素弹簧元弹簧元 对给定的自由度施加一定刚度的元素对给定的自由度施加一定刚度的元素 31元素的选取元素的选取 元素应该能正确地反映实际结构的几何形状、元素应该能正确地反映实际结构的几何形状、刚度特性和受力特点刚度特性和受力特点元素间的连接要正确地反映结构的传力路线元素间的连接要正确地反映结构的传力路线所取元素的多少要既能满足所期望的分析要求所取元素的多少要既能满足所期望的分析
16、要求又能保证在所使用的软硬件环境下以合适的费又能保证在所使用的软硬件环境下以合适的费用完成计算用完成计算对于大型复杂结构，必须具有一定的经验和反对于大型复杂结构，必须具有一定的经验和反复地进行模型修改才能取得比较满意的效果。复地进行模型修改才能取得比较满意的效果。 32杆元杆元 薄壁组合结构中的加筋件常简化为仅受拉压的薄壁组合结构中的加筋件常简化为仅受拉压的杆元杆元;飞机结构中使用杆元的地方最多。比如机身上飞机结构中使用杆元的地方最多。比如机身上的长桁、隔框中的横竖加筋；机翼尾翼中的长的长桁、隔框中的横竖加筋；机翼尾翼中的长桁，纵梁和翼肋中的突缘；桁，纵梁和翼肋中的突缘；薄壁组合型梁中的纵向型
17、材和横向支柱等都取薄壁组合型梁中的纵向型材和横向支柱等都取为杆元为杆元;其他用于空间桁架中两端铰接的结构，比如某其他用于空间桁架中两端铰接的结构，比如某些起落架上部的支架系统、发动机某些支杆、些起落架上部的支架系统、发动机某些支杆、操纵系统拉杆等也都简化为杆元素。操纵系统拉杆等也都简化为杆元素。33梁元梁元 薄壁组合结构的加筋件，当它们的抗弯曲功薄壁组合结构的加筋件，当它们的抗弯曲功能不可忽略时都简化为梁元能不可忽略时都简化为梁元;比如机身中的隔框框缘，其主要功能之一在比如机身中的隔框框缘，其主要功能之一在于维持机身横切面形状，它的抗弯能力是主于维持机身横切面形状，它的抗弯能力是主要受力特性之
18、一，必须取为梁元要受力特性之一，必须取为梁元;某些口框的结构是由一些杆板等组合而成的，某些口框的结构是由一些杆板等组合而成的，有时为了计算方便起见也把组合剖面取为一有时为了计算方便起见也把组合剖面取为一个梁元件个梁元件;34受气密压力作用的一些结构，气密受气密压力作用的一些结构，气密端框上的加筋件等都取为梁元。端框上的加筋件等都取为梁元。客机客舱地板中的纵梁横梁，客舱客机客舱地板中的纵梁横梁，客舱窗户中的窗框取为梁元。空间受力窗户中的窗框取为梁元。空间受力骨架中的结构当其连接点能传递弯骨架中的结构当其连接点能传递弯矩时也取为梁元。矩时也取为梁元。35四边形板元素四边形板元素 板元可以承受板平面
19、内的薄膜力（拉压板元可以承受板平面内的薄膜力（拉压力和剪切力），还可以承受垂直板平面力和剪切力），还可以承受垂直板平面的剪切载荷以及向量位于板平面内两个的剪切载荷以及向量位于板平面内两个互相垂直方向上的弯矩载荷互相垂直方向上的弯矩载荷 但对航空结构中大量存在的是薄壁加筋但对航空结构中大量存在的是薄壁加筋结构一般都略去板的承弯能力只作为膜结构一般都略去板的承弯能力只作为膜元使用。元使用。 对于没有加筋的纯板结构或厚板结构还对于没有加筋的纯板结构或厚板结构还按弯曲板对待按弯曲板对待36四边形剪力板四边形剪力板 当板被简化为膜元或弯曲元素后，使用算得的当板被简化为膜元或弯曲元素后，使用算得的应力分布
20、进行板的强度校核时十分复杂应力分布进行板的强度校核时十分复杂 ；设想在有限元应力分析中采取一些措施，从而设想在有限元应力分析中采取一些措施，从而使后继的强度校核变得容易一些。剪力板就这使后继的强度校核变得容易一些。剪力板就这样出现了样出现了模型简化措施模型简化措施 把膜元的板平面中两个相垂直把膜元的板平面中两个相垂直方向上承受拉压载荷的能力从板中去掉分别折方向上承受拉压载荷的能力从板中去掉分别折算成这两个方向上与板相连的杆（或梁）元的算成这两个方向上与板相连的杆（或梁）元的承拉压面积并累加到相应的元素刚度之中承拉压面积并累加到相应的元素刚度之中 37四边形剪力板的不足四边形剪力板的不足很难在没
21、有求得应力分布的情况下确定很难在没有求得应力分布的情况下确定迭加到两个方向的杆（或梁）元上的等迭加到两个方向的杆（或梁）元上的等效拉压面积效拉压面积 板构件在平面受力状态时两个方向的受板构件在平面受力状态时两个方向的受力是彼此相关的，简化为剪力板后取消力是彼此相关的，简化为剪力板后取消了这种相关性，有时会引起严重误差了这种相关性，有时会引起严重误差 强度校核只按剪应力计算会使某些部位强度校核只按剪应力计算会使某些部位的强度结论偏于危险的强度结论偏于危险 38弹性元弹性元 弹性元的作用是在两个自由度之间加入弹性元的作用是在两个自由度之间加入一个具有指定刚度值的弹性连接。这两一个具有指定刚度值的弹
22、性连接。这两个自由度可以是同一节点上的两个不同个自由度可以是同一节点上的两个不同自由度，也可以是两个不同节点中各一自由度，也可以是两个不同节点中各一个自由度。个自由度。 模拟外部的大刚度约束模拟外部的大刚度约束3940元素选取的一些特殊方法元素选取的一些特殊方法 虚拟杆元素虚拟杆元素 虚拟梁元素虚拟梁元素 虚拟弹性元虚拟弹性元 刚体元的特殊用法刚体元的特殊用法 4142434445元素边界约束的释放元素边界约束的释放 当一个元素与其他元素或外界约束相连当一个元素与其他元素或外界约束相连而它在某方向上又能提供刚度时，它的而它在某方向上又能提供刚度时，它的边界就受到了约束，从而在该方向上受边界就受
23、到了约束，从而在该方向上受到其他元素或外界约束的反力作用。然到其他元素或外界约束的反力作用。然而有时实际结构却不能承受这种反力，而有时实际结构却不能承受这种反力，这时计算模型中就必须将这个单元该自这时计算模型中就必须将这个单元该自由度的约束释放以保证传力路线的正确。由度的约束释放以保证传力路线的正确。4647元素的偏心元素的偏心 48偏心元选取判断标准偏心元选取判断标准首先分析所简化的结构件在整个结构中首先分析所简化的结构件在整个结构中的主要承载功能的主要承载功能 依据上面的分析画出所分析构件的受力依据上面的分析画出所分析构件的受力剖面图剖面图 ，对照具有偏心时的抗弯惯性矩，对照具有偏心时的抗
24、弯惯性矩和简化后的惯性矩，估算其误差值。和简化后的惯性矩，估算其误差值。 4950局部结构几何可变性的消除局部结构几何可变性的消除 在实际建立有限元模型的过程中，往往在实际建立有限元模型的过程中，往往会遇到另一类奇异性间题，就是把总模会遇到另一类奇异性间题，就是把总模型中某一部分作为一个受力结构而言，型中某一部分作为一个受力结构而言，其刚体位移未得到足够的约束因而不能其刚体位移未得到足够的约束因而不能承受一般载荷的作用，这种情况称之为承受一般载荷的作用，这种情况称之为局部结构几何可变性局部结构几何可变性 。515253载荷模型与节点载荷载荷模型与节点载荷气动力载荷气动力载荷 惯性力载荷惯性力载
25、荷 热载荷热载荷 54气动力载荷气动力载荷气动力网点上的气动力载荷列阵气动力网点上的气动力载荷列阵 有限元模型节点气动力载荷列阵有限元模型节点气动力载荷列阵 .55惯性力载荷惯性力载荷 质量网点上的质量列阵质量网点上的质量列阵 有限元模型节点惯性力列阵有限元模型节点惯性力列阵 节点质量列阵节点质量列阵 节点惯性力列阵节点惯性力列阵 质量等效原则比静力等效其条件更苛刻，质量等效原则比静力等效其条件更苛刻，即应满足质量、质心、惯矩、惯积等即应满足质量、质心、惯矩、惯积等6个个方程方程 56节点力生成中一个需注意的问题节点力生成中一个需注意的问题 5758机身结构的有限元分析机身结构的有限元分析 机
26、身蒙皮结构分析机身蒙皮结构分析 地板结构的分析地板结构的分析 飞机发动机短舱结构有限元分析飞机发动机短舱结构有限元分析 飞机机身气密舱有限元法分析飞机机身气密舱有限元法分析 货舱门应力分析货舱门应力分析 舷窗结构的分析舷窗结构的分析 开口有限元分析开口有限元分析 59机身结构特点机身结构特点 薄壁式结构，由长桁、蒙皮和隔框构成主要受力构件薄壁式结构，由长桁、蒙皮和隔框构成主要受力构件 长桁有板弯和挤压两种型材，其剖面型式有角型、长桁有板弯和挤压两种型材，其剖面型式有角型、T型、型、I型、槽型、型、槽型、Z型及其它组合型材等型及其它组合型材等 ,隔框一般用隔框一般用Z型和型和帽型等帽型等 .蒙皮
27、除了承受全部剪力和扭矩外，还要不同程度地承蒙皮除了承受全部剪力和扭矩外，还要不同程度地承受轴力的作用。受轴力的作用。 普通框的作用是维持机身外形，支持机身长桁和蒙皮。普通框的作用是维持机身外形，支持机身长桁和蒙皮。 加强框除具有普通框的作用外，还要承受飞机其他部加强框除具有普通框的作用外，还要承受飞机其他部件、组件、货载和设备等传来的集中载荷。件、组件、货载和设备等传来的集中载荷。 大型民用飞机还有客舱地板、货舱地板、气密端框，大型民用飞机还有客舱地板、货舱地板、气密端框，客舱门、货舱门、应急舱门及各种设备舱开口等客舱门、货舱门、应急舱门及各种设备舱开口等 大型军用飞机如轰炸机则有油箱，进气道
28、、炸弹舱及大型军用飞机如轰炸机则有油箱，进气道、炸弹舱及各种设备舱开口等各种设备舱开口等 60机身计算载荷情况的选取机身计算载荷情况的选取 气动载荷：机动载荷、突风载荷、操纵面偏转产生气动载荷：机动载荷、突风载荷、操纵面偏转产生的气动载荷。的气动载荷。惯性载荷：由于机身结构具有质量，在各种加速运惯性载荷：由于机身结构具有质量，在各种加速运动状态下出现的惯性力。动状态下出现的惯性力。地面载荷：飞机在各种方式的地面滑行、起飞和着地面载荷：飞机在各种方式的地面滑行、起飞和着陆过程中出现的地面对飞机的反力，如各种起飞、陆过程中出现的地面对飞机的反力，如各种起飞、水平着陆、单轮着陆、强迫着陆、起转、回弹
29、、地水平着陆、单轮着陆、强迫着陆、起转、回弹、地面操纵、滑行、刹车、颠簸等。面操纵、滑行、刹车、颠簸等。动力装置载荷：推力、扭矩、陀螺力矩、进气道压动力装置载荷：推力、扭矩、陀螺力矩、进气道压力等。力等。其它载荷：牵引、顶起、增压、鸟撞、坠撞等。其它载荷：牵引、顶起、增压、鸟撞、坠撞等。61军用飞机典型的限制载荷军用飞机典型的限制载荷 62民用飞机典型的限制载荷民用飞机典型的限制载荷 63飞行情况的对称载荷飞行情况的对称载荷 64地面情况的对称载荷地面情况的对称载荷 65飞行情况的不对称载荷飞行情况的不对称载荷 66有限元分析载荷的施加有限元分析载荷的施加 现有的载荷计算过程是根据气动力分布和
30、质量现有的载荷计算过程是根据气动力分布和质量分布计算出机身各框站位的切面增量载荷，然分布计算出机身各框站位的切面增量载荷，然后将切面增量载荷等分或按刚度分配到机身各后将切面增量载荷等分或按刚度分配到机身各框站位的外圈长桁节点上，此结果过于粗糙，框站位的外圈长桁节点上，此结果过于粗糙，会造成较大的误差。会造成较大的误差。 用加载权系数法处理切面增量载荷用加载权系数法处理切面增量载荷 应用刚体元处理切面等效载荷和集中载荷应用刚体元处理切面等效载荷和集中载荷 切面等效载荷的处理切面等效载荷的处理 集中载荷处理集中载荷处理 气密压力载荷的处理气密压力载荷的处理 67机身蒙皮结构有限元分析机身蒙皮结构有
31、限元分析典型结构传力分析典型结构传力分析纵向构件纵向构件 长桁长桁 纵向大梁纵向大梁 蒙皮蒙皮横向构件横向构件 隔框隔框传递载荷传递载荷 弯矩弯矩 剪力剪力 扭矩扭矩 气密压力气密压力Fr.18Fr.26Fr. 54Fr.58Fr.72Fr.83Fr.92Fr.38Fr. 0Nose FuselageForward FuselageCenter FuselageAft FuselageRear Fuselage68机身总体结构机身总体结构697071网格划分和有限单元的选取网格划分和有限单元的选取在机身有限元应力分析中，把机身的网在机身有限元应力分析中，把机身的网格尽量取得与真实工程结构一致，
32、即每格尽量取得与真实工程结构一致，即每个加筋与加筋相交处都取为一个节点，个加筋与加筋相交处都取为一个节点，在每个框所在处都取一个计算站位，框在每个框所在处都取一个计算站位，框与每根长桁相交处都取一个计算节点。与每根长桁相交处都取一个计算节点。 长桁取为梁元长桁取为梁元隔框外圈取为梁元，腹板取为壳元隔框外圈取为梁元，腹板取为壳元蒙皮取为壳元蒙皮取为壳元偏心梁元和偏心壳元偏心梁元和偏心壳元72地板结构地板结构737475Finished Holes forCrossbeam AttachmentSection A - AAAEntrance Areawithout hole pitches76Cu
33、tout Principle forSystem RoutingLightening HolesFinished Holes for Seat Rails AttachmentConcept details still under evaluation77787980载荷情况选取载荷情况选取 地板应急着陆的极限惯性载荷系数地板应急着陆的极限惯性载荷系数 81发动机架结构发动机架结构82飞机机身气密舱有限元法分析飞机机身气密舱有限元法分析 83结构模型的简化结构模型的简化 气密舱壁的简化气密舱壁的简化 气密端框（或气密地板）计算模型简化气密端框（或气密地板）计算模型简化 84机身蒙皮厚度分布机身
34、蒙皮厚度分布85机身蒙皮上简化的梁机身蒙皮上简化的梁86机身地板机身地板87机身的框机身的框88气密载荷气密载荷89边界约束边界约束90气密舱壁计算实例气密舱壁计算实例设一圆柱形气密舱段，蒙皮厚度设一圆柱形气密舱段，蒙皮厚度t=1.2mm，圆柱体半，圆柱体半径径R=500mm，纵向沿圆周均匀布置，纵向沿圆周均匀布置32根长桁，每根根长桁，每根长桁取型材长桁取型材XC113-8，横向等间距布置，横向等间距布置10个框个框 91模型简化模型简化当当L= 200mm时，因不需要考虑框对壳体的影时，因不需要考虑框对壳体的影响，长桁和框都受拉伸，因此可将蒙皮简化为响，长桁和框都受拉伸，因此可将蒙皮简化为
35、正应力板元，框和长桁简化为二力杆（也可以正应力板元，框和长桁简化为二力杆（也可以简化为梁元，但计算的结果仍为二力杆结果）。简化为梁元，但计算的结果仍为二力杆结果）。当当L= 500mm时，应考虑框对壳体的影响，此时，应考虑框对壳体的影响，此时蒙皮仍可简化为正应力板，框简化为二力杆，时蒙皮仍可简化为正应力板，框简化为二力杆，长桁简化为空间无扭梁，考虑到蒙皮网格的长长桁简化为空间无扭梁，考虑到蒙皮网格的长宽比不应太大和计算的精确性，在两框之间各宽比不应太大和计算的精确性，在两框之间各应增加计算站位，将两框之间的蒙皮网格划分应增加计算站位，将两框之间的蒙皮网格划分成八等分进行计算。成八等分进行计算。
36、 92计算结果计算结果 蒙皮环蒙皮环向应力向应力蒙皮纵蒙皮纵向应力向应力框中应框中应力力长桁拉长桁拉伸应力伸应力长桁在框处长桁在框处弯距弯距/Nmm长桁弯长桁弯曲应力曲应力蒙皮弯曲蒙皮弯曲应力应力解析解解析解L=20022.9516.5717.468.92L=50042.5618.3414.614.771324066.39-9.51有限元解有限元解L=20022.8516.5717.368.83L=50042.1718.3414.514.221177059.04-8.4393计算结果计算结果计算模型按框和长衔的实际结构形成的蒙皮格子划分网格计算模型按框和长衔的实际结构形成的蒙皮格子划分网格计算
37、模型在两框之间增加一个计算站位划分网格；计算模型在两框之间增加一个计算站位划分网格；计算模型在两框之间均匀等距增加计算模型在两框之间均匀等距增加3个计算站位划分网格；个计算站位划分网格；计算模型在两框之间均匀等距增加计算模型在两框之间均匀等距增加7个计算站位划分网格个计算站位划分网格 94气密端框气密端框95翼面结构的有限元分析翼面结构的有限元分析 多墙式机翼结构有限元分析多墙式机翼结构有限元分析 梁式机翼结构有限元分析梁式机翼结构有限元分析 飞机舵面结构有限元分析飞机舵面结构有限元分析 机身机翼对接区应力分析机身机翼对接区应力分析 飞机机翼主梁根部下缘条连接区细节有飞机机翼主梁根部下缘条连接
38、区细节有限元分析限元分析 全动尾翼转轴有限元分析全动尾翼转轴有限元分析 96多墙式机翼结构有限元分析多墙式机翼结构有限元分析97传力路线分析传力路线分析 机翼是飞机主要的升力面，它所承受的载荷主要由两机翼是飞机主要的升力面，它所承受的载荷主要由两部分组成：气动力和惯性力。部分组成：气动力和惯性力。弯矩主要由机翼的上、下壁板和梁、墙缘条来承受。弯矩主要由机翼的上、下壁板和梁、墙缘条来承受。在对称受载情况下，弯矩传到飞机对称面处自相平衡在对称受载情况下，弯矩传到飞机对称面处自相平衡了。非对称受载情况下，弯矩由机翼与机身相连的两了。非对称受载情况下，弯矩由机翼与机身相连的两侧框接头承受。侧框接头承受
39、。扭矩主要由机翼的上、下壁板和前、后梁围成的盒段扭矩主要由机翼的上、下壁板和前、后梁围成的盒段来承受。由机翼侧边五号肋汇集最终交给与五号肋相来承受。由机翼侧边五号肋汇集最终交给与五号肋相连的机身的连的机身的38框和框和48框。框。剪力主要由梁、墙腹板承受，由五号肋汇集，最终交剪力主要由梁、墙腹板承受，由五号肋汇集，最终交到机身与机翼相连的框上。到机身与机翼相连的框上。油箱的增压载荷主要由中央翼及中外翼前、后梁和各油箱的增压载荷主要由中央翼及中外翼前、后梁和各端肋组成的密封盒段来承受。端肋组成的密封盒段来承受。从力学观点来看该机翼的翼肋，对于中外翼和外翼而从力学观点来看该机翼的翼肋，对于中外翼和
40、外翼而言主要为传递局部集中力（吊挂载荷）而设置，对中言主要为传递局部集中力（吊挂载荷）而设置，对中央翼来说主要是为了增强支持刚度而设置。央翼来说主要是为了增强支持刚度而设置。98有限单元模型有限单元模型99边界条件边界条件有限元模型的边界条件的模拟其自的在于，消有限元模型的边界条件的模拟其自的在于，消除那些对模型提供反力的节点上的有效自由度，除那些对模型提供反力的节点上的有效自由度，以保证支反力的真实并防止所分析结构的刚体以保证支反力的真实并防止所分析结构的刚体运动。运动。 边界条件是视分析对象而定的。边界条件是视分析对象而定的。 它可以是：它可以是：（1）载荷（）载荷（a）集中力和力矩；（）
41、集中力和力矩；（b）分布线载荷；）分布线载荷；（c）表面的压力。）表面的压力。（2）一个节点的强迫运动）一个节点的强迫运动（3）一个元素的强迫变形）一个元素的强迫变形（4）约束）约束100载荷施加载荷施加结构有限元分析中，该结构所受的载荷由负责各种载结构有限元分析中，该结构所受的载荷由负责各种载荷计算的有关专业人员提供。将所提供的各种载荷离荷计算的有关专业人员提供。将所提供的各种载荷离散化为模型的节点载荷是结构有限元分析人员的任务。散化为模型的节点载荷是结构有限元分析人员的任务。对大型飞机而言，机翼翼展很长，在其载荷作用下，对大型飞机而言，机翼翼展很长，在其载荷作用下，翼尖相对于机翼根部的变形
42、较大。这种结构总体变形翼尖相对于机翼根部的变形较大。这种结构总体变形对其气动力沿机翼的展向和弦向的分布以及机翼外部对其气动力沿机翼的展向和弦向的分布以及机翼外部和内部装载的影响是不可忽略的。在载荷计算中应给和内部装载的影响是不可忽略的。在载荷计算中应给予考虑（指的是气动力和惯性力）。予考虑（指的是气动力和惯性力）。计算情况的选取应视任务的性质而定：静强度分析时计算情况的选取应视任务的性质而定：静强度分析时应根据飞机规范和飞行包线的边界点来选取计算情况。应根据飞机规范和飞行包线的边界点来选取计算情况。疲劳分析时应根据飞机的飞行任务剖面截取载荷情况。疲劳分析时应根据飞机的飞行任务剖面截取载荷情况。
43、动力响应分析时，应视使用环境和有关规范规定选取动力响应分析时，应视使用环境和有关规范规定选取载荷情况。载荷情况。101经验体会建议教训经验体会建议教训 多年使用有限元素法解题的实践，深刻地体会到：有多年使用有限元素法解题的实践，深刻地体会到：有限元素法只是一解题的方法，是由人使用的一种工具限元素法只是一解题的方法，是由人使用的一种工具和手段。和手段。所以从某种意义上讲，有限元分析是一门非常艺术的所以从某种意义上讲，有限元分析是一门非常艺术的科学。科学。要想运用有限元素法求解复杂的工程题目并使其结果要想运用有限元素法求解复杂的工程题目并使其结果更接近实际情况，首要的是建立一个符合实际的离散更接近
44、实际情况，首要的是建立一个符合实际的离散化模型，而符合实际的离散化模型的建立，需要具备化模型，而符合实际的离散化模型的建立，需要具备基本的工程力学知识和正确的工程判断力。基本的工程力学知识和正确的工程判断力。我们常常强调一个力学人员要认真消化结构图纸要忠我们常常强调一个力学人员要认真消化结构图纸要忠实结构图纸，其含意并不是图纸上有什么构件均都要实结构图纸，其含意并不是图纸上有什么构件均都要反映到离散化模型上去，而是在于了解搞清结构设计反映到离散化模型上去，而是在于了解搞清结构设计的载荷传递途径，确认所有载荷作用点和反力点，这的载荷传递途径，确认所有载荷作用点和反力点，这样就可以大胆合并非主要受
45、力结构，确保主要受力结样就可以大胆合并非主要受力结构，确保主要受力结构，并根据受力分析去选择对应的元素类型，这也就构，并根据受力分析去选择对应的元素类型，这也就是常说的在开始建立分析模型以前，需要有关结构行是常说的在开始建立分析模型以前，需要有关结构行为特性的工程判断能力。为特性的工程判断能力。102单元的选用和划分应注意的问题单元的选用和划分应注意的问题在可以使用其它元素时，不要使用在可以使用其它元素时，不要使用3节点节点三角元素（三角板的刚度偏大）。三角元素（三角板的刚度偏大）。避免使用形状畸变的元素，因为当元素避免使用形状畸变的元素，因为当元素角点处的角度过小或过大时，元素精度角点处的角
46、度过小或过大时，元素精度会降低。会降低。在高应力梯度区，板元的宽长比是一个在高应力梯度区，板元的宽长比是一个问题，通常使用中控制在不小于问题，通常使用中控制在不小于1/4。当。当实际结构出现板的宽长比小于实际结构出现板的宽长比小于14的情的情况，可在离散化模型中适当的增设相应况，可在离散化模型中适当的增设相应的的“虚元虚元”。103虚元应用注意的问题虚元应用注意的问题为了提高有限元素的计算精度或避免结果的奇为了提高有限元素的计算精度或避免结果的奇异性，在模型建立中可以适当的增设相应的异性，在模型建立中可以适当的增设相应的“虚元虚元”。这样一来就会使模型中额外增加了。这样一来就会使模型中额外增加
47、了“虚节点，虚节点，”和一些和一些“虚元素虚元素”。有限元素法。有限元素法是以节点处各元件所提供的刚度为基础进行分是以节点处各元件所提供的刚度为基础进行分析计算的。可见析计算的。可见“虚元虚元”刚度给出的正确与否刚度给出的正确与否是直接影响其计算结果的，处理不好，会起到是直接影响其计算结果的，处理不好，会起到画蛇添足的作用。所以说，并不能因为是画蛇添足的作用。所以说，并不能因为是“虚虚元元”，其剖面特性给的越小越真实，实践证明：，其剖面特性给的越小越真实，实践证明：“虚元素虚元素”的刚度的给定应不小于被的刚度的给定应不小于被“虚元素虚元素”分割前原真实元素在该方向上的刚度贡献。分割前原真实元素
48、在该方向上的刚度贡献。104梁式机翼结构有限元分析梁式机翼结构有限元分析105模型简化和网格划分模型简化和网格划分模型简化和网格划分是建立有限元模型中首先模型简化和网格划分是建立有限元模型中首先要做的重要工作。它的好坏直接影响到模型的要做的重要工作。它的好坏直接影响到模型的传力路线和承载能力。模型的简化一般应反映传力路线和承载能力。模型的简化一般应反映出结构的实际刚度，不漏掉也不增加受力的元出结构的实际刚度，不漏掉也不增加受力的元件，能反映出实际传力路线和传力特点。网格件，能反映出实际传力路线和传力特点。网格的疏密除应根据实际结构布置外，还应根据传的疏密除应根据实际结构布置外，还应根据传力的复
49、杂与否。一般来说，传力复杂的部位网力的复杂与否。一般来说，传力复杂的部位网格应密一些，但又不至于造成整个刚度矩阵中格应密一些，但又不至于造成整个刚度矩阵中主元大小差别过大的情况。网格的划分不应造主元大小差别过大的情况。网格的划分不应造成元素畸形。诸如元素长宽比失调，夹角过大、成元素畸形。诸如元素长宽比失调，夹角过大、过小等。过小等。 106以机翼理论图为依据，设计有限元网格。通常以梁肋轴线为线性以机翼理论图为依据，设计有限元网格。通常以梁肋轴线为线性元素的实际位置。除了考虑梁肋构件外，外挂支臂、接头、支座、元素的实际位置。除了考虑梁肋构件外，外挂支臂、接头、支座、各类作动器都按实际位置定。各类
50、作动器都按实际位置定。为了真实地反映出结构的传力路线和受力特点，将机翼的所有构为了真实地反映出结构的传力路线和受力特点，将机翼的所有构件都取作元素（若两个构件相距太近，为不使其间的元素太细长，件都取作元素（若两个构件相距太近，为不使其间的元素太细长，合并该二构件，形成一个元素）；元素的几何位置与构件的几何合并该二构件，形成一个元素）；元素的几何位置与构件的几何位置一致；为了不造成位置一致；为了不造成5点板，或不造成元素的畸变，对于个别点板，或不造成元素的畸变，对于个别元件可以少量移动。元件可以少量移动。对于多梁少肋的结构，如果只按实际结构取，会造成蒙皮的长宽对于多梁少肋的结构，如果只按实际结构
51、取，会造成蒙皮的长宽比过大。为此在各肋之间增加了比过大。为此在各肋之间增加了9条平行于肋的网格线，将蒙皮条平行于肋的网格线，将蒙皮细划成长宽比适当的矩形元素。细划成长宽比适当的矩形元素。在没有梁肋支持的蒙皮和长桁上设点时，为了不造成刚度矩阵奇在没有梁肋支持的蒙皮和长桁上设点时，为了不造成刚度矩阵奇异，建立必要的虚设梁或肋。其腹板厚度取得很薄，如异，建立必要的虚设梁或肋。其腹板厚度取得很薄，如0.0001mm，因此不影响载荷传递。，因此不影响载荷传递。武器和副油箱的挂点在划分网格时要一并考虑。必须在外挂点处武器和副油箱的挂点在划分网格时要一并考虑。必须在外挂点处建立网格点，以便施加载荷。当武器外
52、挂点和副油箱外挂点不一建立网格点，以便施加载荷。当武器外挂点和副油箱外挂点不一致但又很接近时，可以近似按受载比较大的点来建立。致但又很接近时，可以近似按受载比较大的点来建立。107结构模拟和元素选取结构模拟和元素选取 元素的选取和网格的划分实际上是不能截然分元素的选取和网格的划分实际上是不能截然分开的。划分网格时就要考虑到元素的选取。用开的。划分网格时就要考虑到元素的选取。用模型中的元素来模拟实际构件，第一要了解结模型中的元素来模拟实际构件，第一要了解结构元件的功能、承载方式、能力，然后选择合构元件的功能、承载方式、能力，然后选择合适的元素来模拟该构件。使所选用的元素能体适的元素来模拟该构件。
53、使所选用的元素能体现该构件的力学特性。现该构件的力学特性。第二还要考虑所选用的元素能不能满足模型中第二还要考虑所选用的元素能不能满足模型中力的平衡的要求。力的平衡的要求。第三，对只要求传载而不考虑刚度和应力的构第三，对只要求传载而不考虑刚度和应力的构件（或用另外的方法计算应力），可以选用输件（或用另外的方法计算应力），可以选用输入数据少的元素（如刚性元）。入数据少的元素（如刚性元）。108翼根厚蒙皮（特别是主接头附近）、角盒的底板、侧翼根厚蒙皮（特别是主接头附近）、角盒的底板、侧壁、接头的腹板、挂架附近的厚蒙皮等具有承弯能力壁、接头的腹板、挂架附近的厚蒙皮等具有承弯能力的构件，采用四边形承弯板
54、元（的构件，采用四边形承弯板元（QUAD4元）或三角形元）或三角形承弯板元承弯板元(TRIA3)模拟。另外，在固定前缘的外段，由模拟。另外，在固定前缘的外段，由于蒙皮网格划分得密，形成了一些无腹板支持的节点，于蒙皮网格划分得密，形成了一些无腹板支持的节点，为了克服力的不平衡，也选取了板弯元。为了克服力的不平衡，也选取了板弯元。薄的蒙皮或腹板，承受正应力的能力比较弱，主要是薄的蒙皮或腹板，承受正应力的能力比较弱，主要是承剪，通常简化成受剪板元（承剪，通常简化成受剪板元（SHEAR元）。元）。对于大部分蒙皮和梁、肋腹板等，其厚度介于以上二对于大部分蒙皮和梁、肋腹板等，其厚度介于以上二者之间，选用四
55、边形或三角形平面应力元。者之间，选用四边形或三角形平面应力元。绝大部分梁、肋的凸缘、操纵杆、框弹性杆（用以模绝大部分梁、肋的凸缘、操纵杆、框弹性杆（用以模拟部件支持刚度），选用等剖面杆元（拟部件支持刚度），选用等剖面杆元（ROD元）。元）。109内、外侧副翼操纵支臂的凸缘，接头的加筋，悬挂伺内、外侧副翼操纵支臂的凸缘，接头的加筋，悬挂伺服作动器的梁段等，简化为梁元（服作动器的梁段等，简化为梁元（BAR元）。个别梁元）。个别梁的剖面形心离节点较远时，考虑偏心的影响。的剖面形心离节点较远时，考虑偏心的影响。对于前缘襟翼，内、外侧副翼的蜂窝芯，选用了六面对于前缘襟翼，内、外侧副翼的蜂窝芯，选用了六面
56、体元体元(HEXA元）和五面体元元）和五面体元(PENTA元）。或采用具元）。或采用具有有2个方向剪切模量个方向剪切模量Gxz ，Gyz的剪切板元。的剪切板元。对于前缘襟翼的旋转作动器，采用了弹簧元模拟（内、对于前缘襟翼的旋转作动器，采用了弹簧元模拟（内、外侧副翼的伺服作动器也可以用弹簧元模拟）。外侧副翼的伺服作动器也可以用弹簧元模拟）。弹簧元是一种标量元，用于两个自由度之间或一个自弹簧元是一种标量元，用于两个自由度之间或一个自由度与一个固定点之间的连接。以实现节点之间按一由度与一个固定点之间的连接。以实现节点之间按一定弹性条件约束的相对位移，或模拟某些元件的刚度。定弹性条件约束的相对位移，或
57、模拟某些元件的刚度。弹簧元的优点是可以不占有任何空间，模拟某些弹性弹簧元的优点是可以不占有任何空间，模拟某些弹性元件而免去了为模拟这些元件而形成一些元素。元件而免去了为模拟这些元件而形成一些元素。110梁和墙缘条简化成等剖面杆元。当蒙皮取为正应力板梁和墙缘条简化成等剖面杆元。当蒙皮取为正应力板元时，只计算梁缘条本身的面积，梁腹板取梁高度的元时，只计算梁缘条本身的面积，梁腹板取梁高度的16计算。当蒙皮简化成剪应力板时，应计及蒙皮的面计算。当蒙皮简化成剪应力板时，应计及蒙皮的面积，等效宽度一般可取为积，等效宽度一般可取为30，当长桁间距较小时，当长桁间距较小时，也可按与蒙皮相连的缘板同宽度计算。也
58、可按与蒙皮相连的缘板同宽度计算。长桁简化成等剖面杆元。计算方法同梁缘条。长桁简化成等剖面杆元。计算方法同梁缘条。肋缘条简化成杆元。肋缘条简化成杆元。梁、墙、肋的腹板简化成剪力板元。梁、墙、肋的腹板简化成剪力板元。蒙皮较薄时可取为剪力板，较厚时可简化成正应力板蒙皮较薄时可取为剪力板，较厚时可简化成正应力板元。元。接头划分成由杆、板元素组成的小部件。接头划分成由杆、板元素组成的小部件。操纵作动筒的拉杆简化成杆元。图操纵作动筒的拉杆简化成杆元。图4-14 不同材料的零不同材料的零件的组合件的组合 滑轨一般应简化成空间梁元。滑轨一般应简化成空间梁元。111112节点的节点的x，z坐标自然是梁、长桁的轴
59、线与肋轴坐标自然是梁、长桁的轴线与肋轴线的交点的坐标，线的交点的坐标，y坐标的取法则视情况而定。坐标的取法则视情况而定。 按梁元、杆元的形心给出节点的按梁元、杆元的形心给出节点的y坐标，这坐标，这样由于元件的形心位置差别较大，画出的模型样由于元件的形心位置差别较大，画出的模型图可能不光顺。图可能不光顺。 按抗弯刚度对面积进行修正，计算出切面按抗弯刚度对面积进行修正，计算出切面各元件的面积、形心后，在保证切面抗弯刚度各元件的面积、形心后，在保证切面抗弯刚度不变的情况下，将面积减缩到光滑的理论外形不变的情况下，将面积减缩到光滑的理论外形上或蒙皮内表面。这样能更准确地计算出由弯上或蒙皮内表面。这样能
60、更准确地计算出由弯矩引起的正应力，但由于梁腹板和肋腹板的高矩引起的正应力，但由于梁腹板和肋腹板的高度增加了，可能对梁腹板的剪应力稍有影响。度增加了，可能对梁腹板的剪应力稍有影响。113114模型的拼接和部件的连接模型的拼接和部件的连接 内、外侧副翼的连接内、外侧副翼的连接 外侧副翼和机翼外侧副翼和机翼主翼面之间由主翼面之间由3对耳片和伺服作动器相连。对耳片和伺服作动器相连。与伺服作动器相连的支臂和连接的简化与伺服作动器相连的支臂和连接的简化模型如图模型如图4-6所示。由于实际有限元模型所示。由于实际有限元模型中节点编号位数多，不便于在图中表示，中节点编号位数多，不便于在图中表示，因此图中的节点
0/150
联系客服
本站为文档C2C交易模式，即用户上传的文档直接被用户下载，本站只是中间服务平台，本站所有文档下载所得的收益归上传人(含作者)所有。人人文库仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对上载内容本身不做任何修改或编辑。若文档所含内容侵犯了您的版权或隐私，请立即通知人人文库网，我们立即给予删除！