氣密盒強度分析和結構優化探討

戴方適 李曄 李家旭

摘 要 本文基于Patran & MSC Nastran分析軟件對機身氣密盒結構進行優化設計，結合型材自身強度、結構總體失穩及系統固有振動特征模態分析等多角度運算結果進行剖析，從而得出較為良好和全面的優化設計方案及加強方式。

關鍵詞 氣密盒;優化;模態分析;失穩

概述

在機身靜強度設計中，對機身氣密盒結構校核基本上只進行氣密盒自身強度校核、局部強度和氣密盒與機身連接部位校核，但在事實上，機身氣密盒需要適應多種環境，比如在振動環境選，由于振動的疲倦效應及共振現象，可能呈現連接零部件失效，疲勞損傷以至于損壞的現象。

針對用戶對氣密盒愈加關注的情況，在校核氣密盒自身強度、結構穩定性分析、并增加模態分析，對其固有特性在限定環境中進行評價，最后依據三方面的分析結果進行綜合優化設計。

1強度分析方法

1.1 有限元方法

有限元法即使用力學模型進行近似的數值計算，使用合理的節點分布和模擬單元來迫近原來部件的幾何外形，是一種應用位能變分和分割近似原理求解線性彈性力的數值方法。

本文使用 Patran & MSC Nastran有限元分析軟件，對氣密盒結構進行強度分析，氣密盒強度分析步驟如下：①自身強度及其連接強度;②穩定性校核;③模態分析。

2分析方向

2.1 型材自身強度

機載設備在工作中都要承擔載荷，為保證設備正常工作，要求零部件必須具有足夠的強度、剛度等。

工程上常用抗拉強度和屈服強度指標表征金屬材料的抵抗變形與斷裂的能力，以梁元為例，有限元輸出結果為梁元應力，與型材材料的σ0.2和σb進行比較，以得出是否滿足強度要求的結論。

靜強度計算使用Patran & MSC Nastran有限元分析軟件中的線性靜態分析求解（SOL101）。

2.2 型材失穩

本文優化設計使用Patran & MSC Nastran有限元分析軟件中的屈曲分析求解器（SOL105），對氣密盒結構進行線性屈曲分析，根據解算結果的屈曲臨界安全因數對型材穩定性進行評估和優化。

2.3 模態分析

使用有限元模擬分析所得的模態參數參與進行優化設計，可更有效的避免氣密盒在使用過程中因其固有頻率與機體周期性載荷的作用頻率產生共振破壞的可能性。

氣密盒的固有頻率應當盡可能避開機身共振能量集中的頻率區。

本文模態分析部分使用Patran & MSC Nastran有限元分析軟件中的固有值分析求解器（SOL103）。

3氣密盒結構優化設計

3.1 氣密盒自身及其連接強度校核

某型機機身左側開設了一個242×226 mm開口，并在開口處安裝氣密盒，氣密盒高度180mm，氣密盒由型材、口框和板材鉚接而成，本文用某型機機身中段有限元模型，將氣密盒簡化為板元和梁元，對氣密盒周邊的壁板進行局部細化，在簡化模型上施加兩倍氣密載荷進行解算，得到的結果進行氣密盒自身強度及連接強度校核，具體校核結果不再贅述。

3.2 氣密盒穩定性校核

使用Patran & MSC Nastran有限元分析軟件中的屈曲分析求解器（SOL105），對結構的總體穩定性進行線性屈曲分析，由于在屈曲計算中對結構穩定性起主導作用的僅是低階結果，本文件用單獨的氣密盒模型在兩倍氣密載荷情況下，根據氣密盒結構形式及連接情況，取氣密盒與機身連接點進行X、Y、Z三個方向的線位移約束，計算屈曲前四階結果。根據有限元計算結果，氣密盒前四階屈曲因子分別為： 4.60、5.23、7.57和7.93。氣密盒前四階屈曲因子絕對值均大于1，氣密盒不會失穩。

3.3 氣密盒模態分析

使用Patran & MSC Nastran有限元分析軟件中的固有值分析求解器（SOL103）對氣密盒有限元模型進行振動模態模擬計算。

機體周期性載荷的作用頻率為發動機螺旋槳旋轉頻率和螺旋槳槳葉通過頻率，在模態分析前限定模態頻率范圍含概作用頻率。

計算結果表明：氣密盒當前結構的第9階和第10階系統固有特征與發動機螺旋槳旋轉頻率極為接近，氣密盒有發生共振現象產生機構破壞的風險。

3.4 計算結果分析及模型優化

由對氣密盒有限元模型的靜態解算和屈曲解算結果可以得出結論：氣密盒在慣性載荷作用下梁元應力較小，型材自身強度足夠，局部穩定性滿足設計要求;在屈曲解算結果中可以看到氣密盒的一階整體失穩模態，一階臨界載荷系數為4.60，氣密盒不會發生總體失穩。

由對氣密盒有限元模型的振動模態分析結果可以得出結論：氣密盒的固有頻率中第9階和第10階與機體周期性載荷（發動機螺旋槳旋轉頻率）極為相近，及可能因為產生共振現象而導致結構破壞，應當對氣密盒的結構進行優化以避開機身共振能量集中的頻率。

參考靜態解算和屈曲解算結果中氣密盒的應力集中情況及一階屈曲變形情況，在側壁增加兩根XC111-7的型材，氣密盒壁厚改成2.1 mm。

3.5 優化后的計算情況

因初步計算中靜態解算和屈曲解算結果均滿足設計要求，所以僅對加強優化后的氣密盒有限元模型進行振動模態分析，之后第9階和第10階系統固有特征得到改善，優化后的氣密盒固有頻率有效避開機身共振能量集中的頻率，從而規避了因產生共振現象而導致結構破壞的風險，結構設計得到了明顯優化和改善。

4結束語

本文使用Patran & MSC Nastran分析軟件，對氣密盒結構進行優化設計，得出以下結論：

（1）應用Patran & MSC Nastran分析軟件得到一種氣密盒的結構優化設計方案，規避氣密盒在使用過程中發生型材屈曲失效和振動失效的風險;

（2）對于同種材料的氣密盒有無立筋（型材）的模態分析對比表明，氣密盒應力集中位置立筋（型材）剛度對氣密盒的可靠性影響較大，應在氣密盒的設計中予以充分考慮;

（3）在結構設計中應綜合考慮結構的靜態失效和動態失效，用系統固有特征模態分析所得的模態參數對有限元模型進行修正，使其能更好地符合實際情況，從而提高結構優化設計效率。

（4）Patran & MSC Nastran等有限元軟件分析方法可以為非關重件項目優化設計提供較大協助，使用有限元軟件是一種較好的結構優化設計方法。