某通航飞机襟翼的有限元模拟及静强度校核

发布时间：2020-07-11 20:00

【摘要】：本文以某型号单发四座固定翼通航飞机的襟翼为研究对象,通过有限元模拟计算和工程算法计算相结合的方法,研究了飞机结构有限元建模和静强度校核的一般方法和过程,校核了该襟翼初步设计方案的结构静强度,为该襟翼的后续优化设计和该型号通航飞机的适航审定工作提供理论依据。首先对襟翼的几何模型进行了修剪和简化。研究襟翼的有限元精细化模型的建模方法,包括结构简化、网格划分、结构材料属性、约束条件和载荷加载。利用所建立的精细化模型对襟翼在极限载荷作用下各结构的受载和应力进行了模拟计算,得到各结构静强度校核所需的有限元模拟结果,包括:结构的应力分布、结构与结构之间的相互作用力和外界对结构的支反力。然后分析了该襟翼各个部件的受力特点,明确了静强度校核的关键结构和主要内容。详细研究了飞机典型结构临界应力(载荷)的工程算法,然后根据襟翼各结构的几何尺寸和约束条件,通过工程算法计算了各个结构发生失稳(破坏)的临界应力和临界载荷。详细介绍了各结构静强度校核所需的有限元模拟结果的提取方法和原则,将工程算法计算的临界应力和有限元模拟的结果比较,得到了襟翼在极限载荷作用下其各个部件的安全裕度。文章还研究了铆钉偏心连接钉载分配的工程算法,得到了铆钉偏心连接钉载分配的理论计算公式。以该襟翼的旋转接头耳片为研究对象,通过理论计算和有限元模拟,分别计算了该耳片铆钉偏心连接钉载的分配,并对铆钉偏心连接钉载的分配规律进行了实验验证。最后根据静强度校核结果,对该襟翼后续的轻量化设计提出了一种优化设计方案使襟翼在保证静强度要求的同时降低结构重量。研究结果表明:(1)襟翼关键结构的安全裕度均大于0,所有结构都满足静强度要求。其中蒙皮剪切失稳的安全裕度最小,其值为1.4;主梁安全裕度最小的是钉间失稳安全裕度,其值为3.9;接头中螺栓弯曲的安全裕度最小,其值为3.98;铆钉安全裕度最小的是挤压安全裕度,其值为4.75。(2)通过铆钉偏心连接钉载分配的理论公式计算的钉载分配结果与有限元模拟的结果在规律上具有较高的相似度,两种计算方法都能较准确得到偏心连接铆钉群中钉载最大的铆钉及其载荷,实验结果所呈现的铆钉偏心连接钉载的分配规律与理论计算和有限元模拟结果相吻合,偏心连接的铆钉安全裕度最小值为3.31。(3)提出的优化设计方案能一定程度地减轻襟翼的结构重量,但是同时也降低了结构的安全裕度,其中蒙皮的优化减重效果最好,肋板次之,主梁的优化减重效果最差。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V215
【图文】：

襟翼,几何模型

以确保模拟计算的准确性。（4）一些典型的结构细节在有限元模型，如主梁和肋板上的翻边减重孔，操纵接头和旋转接头耳片的螺栓孔。襟翼三维模型的主要尺寸和有限元模型中细节建立的需要，将有限元网为 4mm±1mm。综合考虑计算的准确性和计算量的大小，模型中网格尽一些的尺寸（5mm），在襟翼后缘和其他细节处网格大小可调整至 3m）对蒙皮、梁腹板等具有规则外形的结构，严格使用规整的网格，对于则外形的结构，如肋板腹板，网格的要求是：尽量避免出现三角形网格个网格的尺寸不存在明显的变化、四边形面网格的长宽比不应过大。（有限元模型的铆钉连接都通过共结点来实现，在铆钉连接处有不同厚度这些不同厚度的板元通过一层壳单元等效厚度模拟。襟翼几何模型简介及其修剪和简化某型号通航飞机的襟翼的结构部件包括蒙皮、主梁、肋板、后墙、连接。图 2-1 为隐藏了前缘蒙皮和上翼面蒙皮的襟翼几何模型。

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硕士学位论文第 2 章襟翼的述有限元精细化模型的要求，特别是要实现不同结构共划分网格的复杂性和提高网格质量，需要对襟翼的几何模的简化皮厚度 ts为 0.8mm，以主梁缘条为分界线，把襟翼的蒙皮它们在主梁缘条处通过铆钉与主梁缘条连接。为了在连接光滑，前蒙皮在连接处有深度为 0.8mm 的下陷，有限元皮在此处的两层蒙皮的厚度可以等效到主梁的缘条的单的连接也通过同样的方法进行简化。后蒙皮分上翼面蒙皮面蒙皮在后缘处通过铆钉连接在后墙上，在后缘处新生面蒙皮在后缘处通过共结点连接。简化示意图如图 2-2 所

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图 2-2 蒙皮简化示意图皮的几何模型为厚曲面，而有限元模型中采用的是壳单有厚度的几何曲面，将操纵结构与旋转结构的安装开口的缘条为分界划分，将襟翼蒙皮几何模型分割成 22 块蒙拟数据提取及强度校核，对其进行编号，如图 2-3 所示

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