帶壓窩加強結構有限元分析

馮國春 鄒新煌

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帶壓窩加強結構有限元分析

馮國春 鄒新煌

本文通過建立帶壓窩加強結構的有限元模型，應用接觸理論、幾何非線性、材料非線性的分析方法對結構進行了分析比較，結果可以為工程設計分析提供參考。

帶壓窩（或壓梗）加強結構有較好的面外剛度，能夠承受較強的面外載荷，例如用在民用飛機地板處可以承受較大氣密載荷。對于帶壓窩加強結構，在面內受載時，通常可以將此結構等效為各向異性板單元，通過工程方法對面內拉伸、剪切剛度做等效分析；在面外受載時，則需要建立細節模型進行分析。國內目前對于帶壓窩加強結構研究較少，且研究多數集中在線性范疇，線彈性分析在結構小變形時可以得到相對準確的分析結果，但由于沒有考慮非線性因素的影響，結構偏危險，計算結果偏保守，不利于結構效率優化設計。因此，從提高經濟性和安全性方面，對于此種結構利用非線性有限元手段進一步研究很有必要。

建立模型

對圖1所示結構，帶壓窩加強結構下側有橫梁支撐，上側左右兩端有縱梁結構支持。采用Hypermesh軟件建立有限元細節模型，如圖2所示，板簡化成殼單元，緊固件簡化為cweld單元，氣密載荷加載在結構上表面，大小為0.12MPa，對支撐橫梁兩端端面處所有節點進行（x、y、z）方向位移約束，以模擬橫梁連續結構的支持；對鋁板左右兩側節點進行（x、y、z）方向位移約束，以模擬腹板左右兩側連續結構的支持；對前后側橫梁腹板處所有節點進行（x）方向面內位移約束，以模擬前后側腹板對橫梁的支持。

結果分析

使用MSC.Nastran軟件對帶壓窩加強結構有限元細化模型進行有限元分析，分別考慮線性、線性+接觸、幾何非線性+接觸、幾何非線性+接觸+材料非線性4種情況，得到有限元分析結果如圖3～圖6所示，為更好的進行比較，圖中隱去邊緣釘孔位置和邊緣位置單元，結果僅顯示帶均布壓窩加強鋁合金板的部分。

圖3和圖4分別為線性不考慮接觸（A）和考慮接觸（B）兩種情況下鋁板的位移圖和應力圖，結果均顯示最大位移發生在壓窩中心處，最大應力發生在壓窩R角位置處，在考慮接觸后，接觸約束導致變形減小，最大Vonmises應力減小。

圖1　典型壓窩加強結構示意圖

圖2　帶壓窩加強結構有限元分析模型

圖3　線性計算位移圖

圖4　線性計算應力圖

圖5　非線性計算位移圖

圖6　非線性計算應力圖

表1　計算結果整理

圖5和圖6分別為考慮幾何非線性+接觸（C）、幾何非線性+接觸+材料非線性（D）兩種情況下鋁板的位移圖和應力圖，表1列出了4種情況下的計算結果。（C）為基于考慮幾何非線性因素計算得到的結果，此時結構的變形導致結構剛度矩陣變化，相比于線性+接觸情況，位移變大，應力變小。（D）為（C）進一步考慮材料非線性理論得到的結果，在載荷達到一定值時，將會發生塑性變形，此時結構剛度矩陣進一步發生變化，比較結果可知，位移稍微增大，應力變小。（D）為最符合結構的實際情況，但是由于非線性計算的復雜性，對計算資源也要求很高。

結語

本文對于一種帶壓窩加強結構進行了細化有限元分析研究，此類問題包含了接觸、幾何非線性、材料非線性等多種非線性耦合因素，通過對比4類情況的應力和位移圖，可以得到如下結論，為工程設計分析提供參考：

1）在帶接觸結構分析中，應盡量考慮到接觸對分析的影響；

2）承受面外載荷時，最大位移發生在壓窩中心區域，最大應力發生在壓窩R角區域；

3）結構載荷較大時，應盡量考慮到幾何非線性、材料非線性因素對結構的影響。

馮國春 鄒新煌

上海飛機設計研究院

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.016