飛行器復(fù)合材料艙蓋加筋設(shè)計(jì)及仿真分析

韓 濤，聶小華，段世慧

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西?西安?710065）

計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展極大地推動(dòng)了有限單元法在工程分析中的應(yīng)用，由于其在解決結(jié)構(gòu)仿真分析問題上的有效性和通用性，已經(jīng)成為分析復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)的承載問題最為便捷的方式[1]。隨著飛行器的速度不斷提高，艙蓋結(jié)構(gòu)受力較大，對(duì)艙蓋的承載能力和設(shè)計(jì)技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。當(dāng)氣動(dòng)力逐步增大引起結(jié)構(gòu)較大變形時(shí)，氣動(dòng)分布會(huì)呈現(xiàn)難以預(yù)測的分布形式，甚至?xí)?dǎo)致艙蓋被吹毀，造成嚴(yán)重后果，在工程中必須考慮如何規(guī)避艙蓋大變形失效風(fēng)險(xiǎn)，提高艙蓋設(shè)計(jì)的剛度。基于上述高速飛行器艙蓋設(shè)計(jì)問題，提出了一種復(fù)合材料艙蓋設(shè)計(jì)技術(shù)，充分利用復(fù)合材料比強(qiáng)度高、比模量高等特點(diǎn)，對(duì)高速飛行器設(shè)計(jì)具有無可比擬的優(yōu)勢，選取了工程常用的復(fù)合材料對(duì)艙蓋的鋪層進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。針對(duì)高速飛行器艙蓋受力特點(diǎn)，建立了艙蓋有限元模型。通過對(duì)艙蓋所受氣動(dòng)力以及艙蓋所受約束的等效施加，經(jīng)計(jì)算得到艙蓋變形，再依據(jù)參考設(shè)計(jì)輸入判斷艙蓋變形邊界，通過加筋設(shè)計(jì)方案有效增強(qiáng)艙蓋剛度。其中，鋪層優(yōu)化是在滿足艙蓋結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能要求下最大程度上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，從而提高結(jié)構(gòu)效率和經(jīng)濟(jì)性。加筋設(shè)計(jì)是指在復(fù)合材料基礎(chǔ)上加入帽型加筋，以較小的重量代價(jià)獲得較大的結(jié)構(gòu)剛度提升。

本文主要以工程實(shí)際中的某艙蓋設(shè)計(jì)為背景，重點(diǎn)關(guān)注艙蓋受力變形，采用仿真分析手段減少設(shè)計(jì)迭代，通過有限元建模對(duì)擬定的方案進(jìn)行仿真分析，對(duì)比分析結(jié)果給出艙蓋設(shè)計(jì)的參考方案。旨在討論復(fù)合材料分析手段對(duì)工程輔助設(shè)計(jì)起到的不可忽視的效果[2]，重點(diǎn)闡述復(fù)合材料加筋設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)承載及受力形式的影響[3]。提出了工程中艙蓋設(shè)計(jì)中加筋設(shè)計(jì)的基本方案，驗(yàn)證了改進(jìn)的高速飛行器艙蓋設(shè)計(jì)方案具有一定的可行性和有效性，并在工程中得到了應(yīng)用。

1??模型建立

1.1??結(jié)構(gòu)介紹

圖1 所示為某高速飛行器的艙蓋結(jié)構(gòu)，其剖面呈弧形設(shè)計(jì)，飛行器艙蓋尺寸783.8mm×886.3mm×2.0mm。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，其采用螺釘連接方式，前緣由1個(gè)螺釘與機(jī)身框相連，后緣由3個(gè)螺釘與框相連，中間由2個(gè)螺釘與機(jī)身縱梁連接。設(shè)計(jì)輸入要求在高速飛行工況保證艙蓋的變形對(duì)氣動(dòng)力不能產(chǎn)生較大影響，初始設(shè)計(jì)方案要求氣動(dòng)力作用下艙蓋前緣與框間隙變形不能超過1.2mm。

圖1 艙蓋結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)

1.2??結(jié)構(gòu)建模

建模原則首先考慮單位換算方便，所以計(jì)算過程采用通用單位。主要采用殼元建立有限元模型，如圖2所示，有限元模型共8259個(gè)單元，8430個(gè)節(jié)點(diǎn)。在艙蓋節(jié)點(diǎn)施加氣動(dòng)力等效載荷，在螺釘位置施加約束，模擬螺釘連接形式。有限元模型的總體坐標(biāo)系及坐標(biāo)原點(diǎn)與結(jié)初步方案的數(shù)模一致，采用直角坐標(biāo)系。有限元模型單位選擇工程常用單位。

1.3??材料設(shè)計(jì)

圖2 有限元模型

材料體系及鋪層設(shè)計(jì)如表1所示，采用碳纖維、玻璃布和泡沫構(gòu)成復(fù)材鋪層。初步設(shè)計(jì)考慮復(fù)合材料工藝及制造成型等綜合設(shè)計(jì)，選取了復(fù)合材料工程材料庫較為接近的鋪層設(shè)計(jì)方案作為艙蓋結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)方案。

表1 艙蓋材料鋪層設(shè)計(jì)

2??仿真分析

2.1??初始設(shè)計(jì)

初始設(shè)計(jì)方案只考慮了鋪層的設(shè)計(jì)以及艙蓋質(zhì)量控制，依據(jù)初步設(shè)計(jì)材料體系，將以上材料屬性附到有限元模型中，鋪層厚度和鋪層角度與材料一致。初始方案位移云圖如圖3所示，可以看出，最大變形1.32mm，相比設(shè)計(jì)要求的1.2mm，超出了設(shè)計(jì)輸入值，不能滿足設(shè)計(jì)輸入要求，需要改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，提高艙蓋在變形較大端的剛度。

圖3 初始方案位移云圖

2.2??加筋設(shè)計(jì)

加筋設(shè)計(jì)選用了帽型加筋，加在艙蓋變形較大一端，其基本尺寸保證小于艙蓋開口，以滿足安裝要求，并考慮其變形后不能產(chǎn)生卡滯，造成拆裝困難的問題。通過以上分析，初步設(shè)計(jì)如圖4所示。對(duì)艙蓋進(jìn)行加筋設(shè)計(jì)，加筋設(shè)計(jì)理論上增大了艙蓋的局部剛度[4]。

圖4 艙蓋結(jié)構(gòu)加筋設(shè)計(jì)

如圖5所示，帽型加筋剖面各參數(shù)需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，并在模型中附屬性進(jìn)行試算。

圖5 帽型加筋剖面示意圖

建立加筋后的有限元模型，并對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行仿真分析，施加同等載荷和邊界約束。圖6所示為改進(jìn)方案的位移云圖，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案最大變形1.09mm，滿足設(shè)計(jì)輸入要求[5]。

圖6 改進(jìn)方案位移云圖

從仿真結(jié)果可以看出，加筋設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)輸入條件，但是在艙蓋實(shí)際設(shè)計(jì)過程中仍有其他設(shè)計(jì)輸入條件需要滿足，這就需要在分析過程中優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，在設(shè)計(jì)輸入階段對(duì)艙蓋的設(shè)計(jì)迭代變量進(jìn)行規(guī)劃，并在設(shè)計(jì)迭代過程中滿足小循環(huán)的前提下再進(jìn)行大循環(huán)迭代，以保證設(shè)計(jì)方案的匹配以及合理性。以上分析只針對(duì)復(fù)合材料加筋設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響，進(jìn)一步分析需考慮艙蓋結(jié)構(gòu)的綜合承載能力和加工制造工藝[7]，包括強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、可制造性等進(jìn)行綜合評(píng)估。

3??結(jié)論

本文對(duì)高速飛行器艙蓋剛度設(shè)計(jì)問題進(jìn)行研究，通過建立艙蓋有限元模型，依據(jù)艙蓋在工作狀態(tài)所受氣動(dòng)力形式，在模型上等效施加艙蓋受力形式和邊界條件，分析了初步設(shè)計(jì)方案剛度不足的問題，對(duì)艙蓋進(jìn)行了加筋設(shè)計(jì)增大了局部剛度，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)的艙蓋加筋進(jìn)行了仿真分析，采用復(fù)合材料加筋設(shè)計(jì)方案較好地解決了高速飛行器艙蓋變形問題[6]。通過有限元分析方法可以明顯提升設(shè)計(jì)效率，保證設(shè)計(jì)過程初步方案及改進(jìn)設(shè)計(jì)的可控性和可操作性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定型改進(jìn)升級(jí)提供設(shè)計(jì)依據(jù)和評(píng)判準(zhǔn)則。該設(shè)計(jì)方案對(duì)同類高速飛行器艙蓋設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。