基于子模型方法的民用飛機開口強度分析

王益鋒

基于子模型方法的民用飛機開口強度分析

王益鋒

建立了基于子模型的民用飛機開口強度分析方法。在全機有限元模型的基礎上，采用子模型法建立開口結構的細化模型，根據全機有限元模型確定細化模型載荷和位移邊界條件，對結構進行強度設計與分析。以某機型旅客觀察窗開口為例，通過理論計算結果與試驗數據的對比，驗證了本文分析方法的正確性。

在民用飛機設計中，為了考慮乘坐舒適性、維修方便性、系統布置等因素，經常需要在機體蒙皮及結構腹板上增加開口，如門、窗、維修口蓋等。開口帶來最大的難題是造成了原有連續結構傳力路徑的中斷，需要加強其周圍結構的強度以承受原開口處結構所承受的載荷以及由于載荷重新分布引起的內力。而機體結構布置還受到附近結構、內飾等的限制，如何在有限的區域范圍內對開口周圍結構進行加強，使結構滿足剛度、強度設計要求且各結構剛度匹配實現結構的最優化，是強度設計與分析的難點。

對于開口尺寸較小的中、小開口，其影響僅局限于開口周圍部分結構，一般采用環形加強板等進行加強，對于較大尺寸的開口，開口對整個剖面內力分布都會產生較大的影響，需對周圍組件剛度、強度綜合進行分析。開口強度分析可直接利用工程算法進行分析，但工程算法并不十分精確，有時需要借助試驗數據進行修正。本文采用Patran有限元商業軟件，在全機有限元模型的基礎上結合子模型，對開口結構進行了強度設計與分析，根據結構應力分布，進行迭代求解，有效地確定開口加強方案。

分析方法

在全機有限元模型中，由于計算機硬件及運算時間等的限制，開口結構一般采用簡化模型，網格比較稀疏，角部通常采用直角形式。該模型受力特點和傳力路線都保留了設計意圖，但直接使用全機有限元模型分析開口結構存在較大的誤差。本文在全機有限元模型的基礎上，采用子模型法建立開口結構的細化模型，對結構進行了設計與分析，具體流程如圖1所示。

圖1 機身開口設計分析流程圖

根據上述流程，首先以初始結構組件（框、蒙皮、長桁等及緊固件）為基礎，將其屬性賦到全機有限元模型中進行求解；根據全機有限元模型結果確定分析范圍及邊界條件，然后采用子模型法建立分析結構細化模型，對結構進行分析；根據分析結果進行強度校核，判斷其是否滿足強度設計要求。若不滿足，修改框、蒙皮、長桁及緊固件等屬性，更改全機有限元模型、全機解及細化模型重新進行一系列計算。當迭代求解后結構滿足強度要求時，可確定為最終結構。

使用子模型法進行分析時，應注意減小其數值誤差。其數值誤差來源分為如下幾部分：1.整體模型在切面處的數值誤差；2.插值誤差；3.幾何誤差、4.子模型本身的數值誤差。

為減小數值誤差，必須正確選取切面，確定分析范圍。切面選取需根據圣維南原理，使切面位置位于開口結構的載荷影響范圍之外，同時應避免載荷突變、幾何突變、倒角等高應力區域。實際分析時，應根據全機有限元結果，選擇應力非突變區域；同時要注意整體模型和子模型的匹配，盡量避免一、二及三維單元之間的轉換，若不可避免，在轉換時需要考慮偏置的影響。

分析算例

以某機型旅客觀察窗為例，采用本文方法進行分析。根據旅客觀察窗框高度定義，要求窗框上沿與人體視線在同一水平位置，因此旅客觀察窗布置一般位于機身兩側地板以上位置處。窗框開口為口框形式，觀察窗上下各布置一根長桁，窗框上下緣分別與長桁進行鉚接，左右緣與蒙皮鉚接。窗框緣條近似為“ ┴ ”形。結構布置如圖2所示。觀察窗組件主要由雙層定向拉伸有機玻璃（丙烯酸）、窗框、彈簧夾、環形件、內外密封件組成，結構如圖3所示。

圖2 飛機旅客觀察窗框結構布置圖

圖3 旅客觀察窗組件圖

旅客觀察窗開口切斷長桁及蒙皮造成結構傳力的中斷，載荷一部分通過窗框彎曲傳遞，一部分通過周圍壁板結構傳遞。因此對于窗框結構，要保證窗框有足夠的剛度和強度承受彎曲載荷，同時周圍蒙皮及長桁結構要進行相應的加強。對截面進行分析，該剖面由于開口減少的面積，周圍結構補充的面積需在開口減少面積的基礎上再考慮應力集中的影響。

在全機有限元模型中，機身部分旅客觀察窗框結構模型如圖4所示。在全機解中，根據設計意圖，觀察窗開口由上下長桁隔斷，因此上下長桁建立為梁單元，蒙皮為膜單元。由于所有窗都位于氣密區內，均需承受機身增壓載荷并將其傳遞到窗框，所以窗框一周都建立為梁元。在同一“.db”文件相同位置下建立結構的細化模型，模型如圖5所示。

圖4 機身部分旅客觀察窗框結構模型（全機模型）

圖5 機身部分旅客觀察窗框結構細化模型

圖6 旅客觀察窗框結構位移場示意圖

在細化模型中，旅客觀察窗口框簡化為空間梁元，上下相鄰長桁及框簡化為平面梁元，其余長桁簡化為桿元，蒙皮簡化為殼元。

在建模時需保證整體解模型和細化模型公共節點位置保持一致，這樣可以減小幾何誤差的影響。細化模型四周的邊界條件根據整體解相應載荷條件下所求得的相應節點的6個方向的平動及轉動位移，在整體解模型中建立相對應的位移場，然后在細化模型中通過二次樣調曲線插值得到細化模型邊界其余各節點的位移，并將上述位移作為本模型計算的邊界條件，同時將原有整體解中相應節點的載荷加載到對應公共節點上作為細化模型的載荷進行計算。以一地面載荷工況為例，圖6為全機解下旅客觀察窗框結構位移場示意圖，圖7為插值后細化模型各邊界節點插值后位移圖，圖8為節點載荷示意圖。

圖7 旅客觀察窗框細化模型邊界位移示意圖

圖8 旅客觀察窗框細化模型節點載荷示意圖

在切面選取時，根據全機有限元結果，選擇應力非突變區域。在初始切面選取時，切面選擇環向向上向下兩個長桁段；航向向前向后各延伸1個框段。經計算發現，全機有限元模型中切面位置處應力水平很高，細化后發現應力梯度較大，不適宜作為切面選取位置。最終確定切面選取環向向上向下延伸四個長桁段，航向向前向后各延伸1個框段。經對比，方法更改后計算結果與試驗結果比較接近，較好的驗證了本文方法的準確性。表1 為該地面載荷工況下窗框周圍蒙皮應力結果對比表，圖9和圖10分別為窗框組件結構的Vonmises應力和剪應力云圖。

表1 窗框周圍蒙皮應力結果對比表

圖9 旅客觀察窗框結構Vonmises應力云圖

圖10 旅客觀察窗框結構剪應力云圖

結語

通過有限元分析數據與試驗數據對比，分析與試驗吻合較好且更保守，說明全機有限元模型與子模型結合的有限元分析方法可以保守、有效的對開口結構進行建模，比較精確地得到結構應力分布，該方法可用于開口結構的強度分析與設計。

王益鋒

上海飛機設計研究院強度設計研究部

王益鋒（1981-）男，籍貫：江蘇，漢族，高級工程師，博士，2009年博士畢業后進行上海飛機設計研究院工作至今，主要從事民用飛機強度設計與研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.011