飛機外蒙皮上非受力結構有限元模型設計淺析

摘 要:飛機外蒙皮上的非受力結構具有這樣的特性，既要向飛機傳遞本身的氣動載荷，又不參與飛機整體受力。所以為該類結構建立有限元模型時，要綜合考慮上述兩個因素，以免出現有限元局部模型失真的情況。本文根據實際工作中所碰到的一些特殊問題，總結出該類結構的有限元模擬方法。

關鍵詞:非受力結構 RBE2 RBE3 MPC Independent node Dependent node

中圖分類號:V261.3文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(c)-0045-02

1 引言

為了保證更好的設計精度和安全性，現代飛機設計對細節的要求越來越高。我們在Patran中建立飛機有限元模型時，經常會碰到一些用普通單元無法解決的問題，比如，民機的旅客觀察窗、外蒙皮的非受力口蓋等。這些結構具有這樣的特性，既要向飛機傳遞本身的氣動載荷，又不參與飛機整體受力，即該結構需要設計為只向外傳遞氣動載荷而不傳遞機身載荷。

2 理論依據

為了解決這類問題，我們需要使用Patran中的MPC單元:RBE2和RBE3，下面先敘述這兩種MPC單元的工作原理。

2.1 RBE2

RBE2單元是一種剛性單元，它由一個主節點(independent node)和若干個從節點(dependent node)構成。主節點和從節點之間被約束的自由度不能有相對位移，從節點之間被約束的自由度也不能有相對位移，即RBE2內所有的節點在被約束的自由度上是剛性的。所以RBE2的從節點適用于連接在一個較為剛性的子結構上。

2.2 RBE3

RBE3單元是一種柔性連接單元，由若干個主節點(independent node)和一個從節點(dependent node)構成。它建立了不同節點的力與力矩的分配關系，也稱之為插值單元。其局部剛度為零，不會對系統剛度產生影響。力和力矩在RBE3單元的作用下，通過相應的權值，被從節點分配到一系列主節點上。

3 建立模型

由于民機的旅客觀察窗、外蒙皮的非受力口蓋等非承力結構僅僅承受氣動載荷，其在總體有限元模型中所起的作用也僅僅是在不影響飛機總體傳力的前提下，使飛機承受的氣動載荷完整而精確。所以這些非受力結構本身在總體有限元模型中的計算結果并不重要。

我們可以將飛非受力結構的邊界節點定義為RBE2的從節點;將該非受力結構連接的口框上的節點定義為RBE3主節點，并在非受力結構的中間定義一個節點，使得該節點既是RBE2的主節點也是RBE3的從節點。這樣，就建立起一個單向的載荷傳遞模型。非受力結構承受的氣動載荷通過RBE2的從節點傳遞給RBE3的主節點，進而傳遞給加筋板的口框。反過來，飛機通過口框分流的載荷卻不會受到非受力結構的影響;而且，由于與口框連接的RBE3的局部剛度為零，所以也不會影響口框的局部剛度。

(注意:在有限元模型中，非受力結構與口框各自的節點坐標雖然相同，但并不共節點，即為兩個孤立的結構)

下面將建立一個簡單的非受力結構模型，驗證該方法的合理性。

下圖1是一400×400mm2的加筋板示意圖，其中中間部位為一190×190mm2的非受力口蓋。加筋板的加強筋為I型，高度為25mm，寬10mm，厚2mm;加筋板厚3mm;口蓋厚2mm。口蓋和加筋板的材料均為Ly12。

載荷和約束:在加筋板上部加筋處施加兩個集中力(各為-5000N)，兩側簡支約束，另在加筋板及口蓋上均勻施加0.1MPa的壓力。

建立加筋板和口蓋的有限元模型，如圖2所示，將口蓋周圍的節點設為RBE2從節點(dependent node)，將加筋板口框上的節點設為RBE3的主節點(independent node)，RBE2的主節點和RBE3的從節點共用口蓋中間的一個節點11101。

口蓋上的氣動載荷通過RBE2從節點，經過RBE2主節點11101(也即RBE3的從節點)，然后被RBE3的從節點分配到口框的一系列主節點上。

給模型賦上材料，施加載荷和約束，就可以對其進行計算。

4 結果分析

4.1 計算結果分析

見上述模型所施加的載荷分成兩個工況，工況一為加筋板和口蓋承受氣動壓力(0.1MPa)的情況;工況二為加筋板單獨承受集中載荷的情況(-5000×2)。兩個工況約束相同。提交計算，得:

（1)工況一:口蓋的MPC(RBE2、RBE3)總載荷為3610N。

口蓋的面積為190×190mm2，承受0.1MPa的壓力，口蓋實際承受的氣動載荷為:

F=0.1×1902=N，

與有限元計算結果相同，即口蓋承受的載荷全部由MPC傳給加筋板。

（2)工況二:口蓋的MPC(RBE2、RBE3)總載荷為零。

按設計要求，口蓋是非承力結構，即不參與口蓋以外載荷的傳遞，所以加筋板單獨加載的時候，與口蓋連接的MPC載荷為零，這與有限元計算結果相同。

4.2 對比分析

根據上面的計算結果，我們來對比以前對外蒙皮上的非受力結構常用的處理方法，其一是完全開口，其二是模擬成連續單元。

（1)完全開口雖然保證了飛機傳力的準確性，但因其開口導致局部氣動載荷的缺失(3610N)，依然會影響局部的載荷分布，導致設計精度下降。

（2)將口蓋與加筋板模擬成連續單元雖然能夠保證氣動載荷正確施加，但同時也會影響局部結構傳力。為了說明問題，將上述模型的MPC刪除，并將口蓋和加筋板模擬成連續單元，在加筋板單獨加載(上述工況二)的情況下，口蓋上緣在Y向分流了2641.79N的載荷(下圖3右)，而該截面(A-A截面)傳遞的總載荷為6526.57N(下圖3左)。也就是說，將非受力結構模擬成連續的模型，可能會導致較大的局部誤差。

5 結語

由上可知，為了保證更好的設計精度和安全性，我們在建立有限元模型時，應充分考慮非受力結構的影響。尤其是民機領域，更高的設計精度意味著更低的設計重量(即更高的經濟性)和更高的安全性。

參考文獻

[1]MSC Nastran 2007 r1， Quick Reference Guide:2016.

[2]MSC Nastran 2007 r1， Quick Reference Guide:2022.

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