鉸鏈支架靜不定結構的有限元分析

汪波

摘 要：鉸鏈支架結構通常以集中力的形式傳遞結構所受的載荷，對鉸鏈支架結構進行拓撲優化、尺寸優化和形狀優化，可使結構在滿足強度、剛度要求的條件下重量達到較輕的水平。優化后的鉸鏈支架結構多為較復雜的靜不定結構，在結構分析中，由于多余的約束反力及相應的變形協調條件較多，工程計算方法較為復雜，對計算方法進行簡化后難以保證方法的準確性和可靠性。該文采用有限單元法對結構進行分析計算，并求出結構的應力分布及薄弱剖面的內力，對鉸鏈支架靜不定結構的強度校核工作具有典型意義。

關鍵詞：靜不定結構 有限單元法 鉸鏈支架

中圖分類號：V229 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0081-02

鉸鏈支架結構形式復雜，工程計算方法需要進行大量工程簡化，在無法進行大量試驗驗證的情況下，采用有限單元法對結構進行分析，可大大節省分析工作量，加快研發進度，降低研發成本。有限元模型必須真實反映實際結構的幾何構型，材料屬性，載荷傳遞路徑及邊界約束條件，才能保證有限元計算和分析結果的正確性。利用PATRAN建立有限元模型，進行網格劃分，定義邊界條件和載荷；利用NASTRAN進行加載計算，求出結構的應力分布及薄弱剖面的內力并進行強度校核。

1 結構簡介

鉸鏈支架結構主要用于結構的安裝和拆卸，通常用來承受較高的集中載荷，因而普遍采用雙剪接頭。優化后的鉸鏈支架結構示意圖如圖1所示。

支架與接頭耳片通過一個螺栓組連接，集中載荷由接頭耳片通過螺栓組傳遞到支架上。支架和接頭耳片通常采用金屬材料。

坐標系原點位于接頭耳片孔中心點，Z軸沿接頭耳片轉軸方向，X軸垂直于梁平面，Y軸垂直于XOZ平面。鉸鏈支架結構所承受的集中載荷通常為XY平面內的載荷，承受側向載荷時，載荷方向沿Z軸方向。

2 有限元模型

根據鉸鏈支架結構的結構形式和傳力特點，對結構各部位進行有限元模型單元選取。鉸鏈支架結構和接頭耳片結構采用三維實體單元模擬，螺栓采用梁單元模擬。在支架端部施加約束，加載點取在接頭耳片中心處并施加單位載荷，剖面部位定義局部坐標系用來選取結構剖面的內力。

根據以上單元和邊界約束條件的選取，建立鉸鏈支架結構有限元模型。

3 結果分析

式中：P——接頭耳片所受的集中載荷；

α——載荷與X方向的夾角；

A——所選取局部剖面面積；

kx，ky——結構剖面在單位載荷作用下的內力，可由有限元模型求出。

根據板元法求出基本剖面的許用壓損應力為[1]：

單個元素的壓損應力為：

式中：c——元素支持系數，一端自由c=0.565，無自由邊c=1.427；

σcy——緣條的壓縮屈服應力；

Ec——緣條的壓縮彈性模量；

bi——第i個元素的長度；

ti——第i個元素的厚度；

許用壓損應力為：

式中：σcci——長度為bi，厚度為ti的第i個元素的壓損應力；

Ai——第i個元素的剖面面積；

當σtu/σ或σcc/σ>1時，結構滿足設計要求。

4 結語

在復雜結構的分析計算中，工程計算方法較為復雜，簡化后難以保證方法的準確性和可靠性。采用有限單元法建立細節模型，可更快速，準確的得出結構的應力分布和薄弱剖面的內力，對結構進行強度校核和優化設計，使結構更加合理。

參考文獻

[1] 飛機設計手冊·9·載荷、強度和剛度[M].航空工業出版社，2001.endprint

摘 要：鉸鏈支架結構通常以集中力的形式傳遞結構所受的載荷，對鉸鏈支架結構進行拓撲優化、尺寸優化和形狀優化，可使結構在滿足強度、剛度要求的條件下重量達到較輕的水平。優化后的鉸鏈支架結構多為較復雜的靜不定結構，在結構分析中，由于多余的約束反力及相應的變形協調條件較多，工程計算方法較為復雜，對計算方法進行簡化后難以保證方法的準確性和可靠性。該文采用有限單元法對結構進行分析計算，并求出結構的應力分布及薄弱剖面的內力，對鉸鏈支架靜不定結構的強度校核工作具有典型意義。

關鍵詞：靜不定結構 有限單元法 鉸鏈支架

中圖分類號：V229 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0081-02

鉸鏈支架結構形式復雜，工程計算方法需要進行大量工程簡化，在無法進行大量試驗驗證的情況下，采用有限單元法對結構進行分析，可大大節省分析工作量，加快研發進度，降低研發成本。有限元模型必須真實反映實際結構的幾何構型，材料屬性，載荷傳遞路徑及邊界約束條件，才能保證有限元計算和分析結果的正確性。利用PATRAN建立有限元模型，進行網格劃分，定義邊界條件和載荷；利用NASTRAN進行加載計算，求出結構的應力分布及薄弱剖面的內力并進行強度校核。

1 結構簡介

鉸鏈支架結構主要用于結構的安裝和拆卸，通常用來承受較高的集中載荷，因而普遍采用雙剪接頭。優化后的鉸鏈支架結構示意圖如圖1所示。

支架與接頭耳片通過一個螺栓組連接，集中載荷由接頭耳片通過螺栓組傳遞到支架上。支架和接頭耳片通常采用金屬材料。

坐標系原點位于接頭耳片孔中心點，Z軸沿接頭耳片轉軸方向，X軸垂直于梁平面，Y軸垂直于XOZ平面。鉸鏈支架結構所承受的集中載荷通常為XY平面內的載荷，承受側向載荷時，載荷方向沿Z軸方向。

2 有限元模型

根據鉸鏈支架結構的結構形式和傳力特點，對結構各部位進行有限元模型單元選取。鉸鏈支架結構和接頭耳片結構采用三維實體單元模擬，螺栓采用梁單元模擬。在支架端部施加約束，加載點取在接頭耳片中心處并施加單位載荷，剖面部位定義局部坐標系用來選取結構剖面的內力。

根據以上單元和邊界約束條件的選取，建立鉸鏈支架結構有限元模型。

3 結果分析

式中：P——接頭耳片所受的集中載荷；

α——載荷與X方向的夾角；

A——所選取局部剖面面積；

kx，ky——結構剖面在單位載荷作用下的內力，可由有限元模型求出。

根據板元法求出基本剖面的許用壓損應力為[1]：

單個元素的壓損應力為：

式中：c——元素支持系數，一端自由c=0.565，無自由邊c=1.427；

σcy——緣條的壓縮屈服應力；

Ec——緣條的壓縮彈性模量；

bi——第i個元素的長度；

ti——第i個元素的厚度；

許用壓損應力為：

式中：σcci——長度為bi，厚度為ti的第i個元素的壓損應力；

Ai——第i個元素的剖面面積；

當σtu/σ或σcc/σ>1時，結構滿足設計要求。

4 結語

在復雜結構的分析計算中，工程計算方法較為復雜，簡化后難以保證方法的準確性和可靠性。采用有限單元法建立細節模型，可更快速，準確的得出結構的應力分布和薄弱剖面的內力，對結構進行強度校核和優化設計，使結構更加合理。

參考文獻

[1] 飛機設計手冊·9·載荷、強度和剛度[M].航空工業出版社，2001.endprint

摘 要：鉸鏈支架結構通常以集中力的形式傳遞結構所受的載荷，對鉸鏈支架結構進行拓撲優化、尺寸優化和形狀優化，可使結構在滿足強度、剛度要求的條件下重量達到較輕的水平。優化后的鉸鏈支架結構多為較復雜的靜不定結構，在結構分析中，由于多余的約束反力及相應的變形協調條件較多，工程計算方法較為復雜，對計算方法進行簡化后難以保證方法的準確性和可靠性。該文采用有限單元法對結構進行分析計算，并求出結構的應力分布及薄弱剖面的內力，對鉸鏈支架靜不定結構的強度校核工作具有典型意義。

關鍵詞：靜不定結構 有限單元法 鉸鏈支架

中圖分類號：V229 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0081-02

鉸鏈支架結構形式復雜，工程計算方法需要進行大量工程簡化，在無法進行大量試驗驗證的情況下，采用有限單元法對結構進行分析，可大大節省分析工作量，加快研發進度，降低研發成本。有限元模型必須真實反映實際結構的幾何構型，材料屬性，載荷傳遞路徑及邊界約束條件，才能保證有限元計算和分析結果的正確性。利用PATRAN建立有限元模型，進行網格劃分，定義邊界條件和載荷；利用NASTRAN進行加載計算，求出結構的應力分布及薄弱剖面的內力并進行強度校核。

1 結構簡介

鉸鏈支架結構主要用于結構的安裝和拆卸，通常用來承受較高的集中載荷，因而普遍采用雙剪接頭。優化后的鉸鏈支架結構示意圖如圖1所示。

支架與接頭耳片通過一個螺栓組連接，集中載荷由接頭耳片通過螺栓組傳遞到支架上。支架和接頭耳片通常采用金屬材料。

坐標系原點位于接頭耳片孔中心點，Z軸沿接頭耳片轉軸方向，X軸垂直于梁平面，Y軸垂直于XOZ平面。鉸鏈支架結構所承受的集中載荷通常為XY平面內的載荷，承受側向載荷時，載荷方向沿Z軸方向。

2 有限元模型

根據鉸鏈支架結構的結構形式和傳力特點，對結構各部位進行有限元模型單元選取。鉸鏈支架結構和接頭耳片結構采用三維實體單元模擬，螺栓采用梁單元模擬。在支架端部施加約束，加載點取在接頭耳片中心處并施加單位載荷，剖面部位定義局部坐標系用來選取結構剖面的內力。

根據以上單元和邊界約束條件的選取，建立鉸鏈支架結構有限元模型。

3 結果分析

式中：P——接頭耳片所受的集中載荷；

α——載荷與X方向的夾角；

A——所選取局部剖面面積；

kx，ky——結構剖面在單位載荷作用下的內力，可由有限元模型求出。

根據板元法求出基本剖面的許用壓損應力為[1]：

單個元素的壓損應力為：

式中：c——元素支持系數，一端自由c=0.565，無自由邊c=1.427；

σcy——緣條的壓縮屈服應力；

Ec——緣條的壓縮彈性模量；

bi——第i個元素的長度；

ti——第i個元素的厚度；

許用壓損應力為：

式中：σcci——長度為bi，厚度為ti的第i個元素的壓損應力；

Ai——第i個元素的剖面面積；

當σtu/σ或σcc/σ>1時，結構滿足設計要求。

4 結語

在復雜結構的分析計算中，工程計算方法較為復雜，簡化后難以保證方法的準確性和可靠性。采用有限單元法建立細節模型，可更快速，準確的得出結構的應力分布和薄弱剖面的內力，對結構進行強度校核和優化設計，使結構更加合理。

參考文獻

[1] 飛機設計手冊·9·載荷、強度和剛度[M].航空工業出版社，2001.endprint